Laser-Kunststoffschweißen

Komplettlösungen für das Laser-Kunststoffschweißen und Fügen von Polymeren

Das Laserschweißen zum Verbinden von Thermoplasten kann mit zwei unterschiedlichen Erwärmungsmethoden erfolgen: Oberflächenerwärmung und Durchstrahlerwärmung. Die Durchstrahlerwärmung wird gelegentlich als „Laserdurchstrahlschweißen“ (Through Transmission Laser Welding, TTLW) oder „Durchstrahl-Infrarotschweißen“ (Through Transmission Infrared Welding, TTIr) bezeichnet. Das Laserschweißen zählt zu den besten Verfahren, um hermetisch dichte, gasdichte Schweißnähte zu erzielen. Die Oberflächenerwärmung erfolgt durch Aufweiten des Laserstrahls und gleichzeitiges Erwärmen der Oberflächen beider Bauteile mithilfe von Spiegeln. Ebenso ist es möglich, mit einem Linienstrahl oder einem Laserspot und einem Scanspiegel die Bauteiloberflächen schnell abzurastern und zu erwärmen.

Beim Durchstrahlschweißen ist ein Bauteil für den Laser transparent, während das zweite ein Additiv wie Ruß enthält, das die Laserstrahlung absorbiert und in Wärme umwandelt. Materialien mit hoher Absorptionsrate eignen sich ideal für das untere Bauteil beim Durchstrahlschweißen, da sie den Großteil der Energie an der Schweißnahtgrenzfläche absorbieren und eine dünne, erwärmte Oberflächenschicht erzeugen, die optimal zum Schweißen geeignet ist. Manche optisch klare Kunststoffe und Folien lassen sich mit längeren Wellenlängen im Bereich von 1500 nm bis etwa 2000 nm (2 Mikrometer) schweißen, um eine Volumenerwärmung zu erzielen.

Mehr erfahren über die Ruß-Auswahl für das Laserschweißen

Ruß-Auswahl

Für erfolgreiches Durchstrahlschweißen und Fügen

Das Laserschweißen wird in einer Vielzahl von Anwendungen zum Verbinden von Thermoplasten eingesetzt, da es sich um ein berührungsloses Erwärmungsverfahren mit kurzen Zykluszeiten und geringeren Kosten handelt. Sowohl bei der Oberflächenerwärmung als auch bei der Durchstrahlerwärmung ist Ruß das am häufigsten verwendete Farbmittel. Es hat sich gezeigt, dass Rußtypen mit geringer Partikelaggregation und -verteilung für die Lasererwärmung am wirksamsten sind.

Versuche mit dem Abrastern mittels Linienstrahl zeigten, dass eine geringfügige Neigung des Laserkopfes bei Vorwärts- im Vergleich zu Rückwärtsbewegung eine unterschiedliche Erwärmung bewirken kann. Beim Fügen unterschiedlicher Polymere zeigte sich, dass eine Oberflächenstrukturierung die Haftfläche der Verbindung sowie den Grad der mechanischen Verzahnung vergrößert und dadurch zu überlegenen Verbindungen führt.

Laser-Kunststoffschweißen – Dienstleistungen von SABREEN

Das Expertenwissen von SABREEN garantiert exzellentes Laser-Kunststoffschweißen – gestützt auf über 40 Jahre Erfahrung in den Bereichen Laseradditive, Polymere und Farbmittel, Laserquellen, Systemdesign, Herstellung und Integration, Einhaltung gesetzlicher Vorschriften sowie Spritzgussverfahren.

• Individuelle Laser-Farbabgleichformulierungen und Compounds, Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, Prototypmuster – Masterbatch, vorkompoundierte Materialien (vorgefärbt), Laserlaminate.
• Optimierung von Laserquelle, Wellenleitereigenschaften, Optik und Strahlführung, abgestimmt auf die jeweilige Polymer-Farbmittel-Matrix. NIR-Wellenlänge 1060–1080 nm Ytterbium-Faser, Vanadat, frequenzverdoppelt 532 nm Grün oder UV 355 nm.
• Design von Laseranlagen, schlüsselfertige Systemintegration & Schulung, industrielle Bildverarbeitung, kundenspezifische HMI, Prozessdokumentation.
• Problemlösung vor Ort (weltweit an jedem Standort), Analyse des Laserprozesses und Systemoptimierung, kundenspezifische vektorisierte Grafiken.
• Laser-Sicherheitszertifizierung, vollständige Anwendung inklusive Design und CDRH-Klasse-1-Gehäuse, Laserschutzbeauftragter (LSO) für interne Audits.
• Kunststoffspritzguss und analytische Untersuchungen, Formfüllsimulation, Dispersion/Verteilung von Additiven und Farbmitteln.

Komplettlösungen

Materialwissenschaft für Polymere und Farbmittel, Spritzguss, Lasertechnologie, Systemintegration und Schulung. Unsere einzigartigen Formulierungen sind so konzipiert, dass sie ein breites Spektrum an Lasertechnologien abdecken. Unsere Auswahl an Laserquellen ermöglicht es unseren Kunden zudem, wie häufig gefordert, auch Metalle zu markieren bzw. zu gravieren.

Laseradditive

Bahnbrechende Additive erzeugen tiefschwarze, helle und individuell abgestimmte Farbkontraste. Die Additive werden während des Formgebungsprozesses als Farbkonzentrat-Masterbatch oder als vorkompoundierte Materialien mit den Polymeren vermischt. Eine geringe Dosierung beeinträchtigt keine der polymeren Eigenschaften. FDA-/EFSA-zugelassene Varianten sind erhältlich.

NEU: Bahnbrechende Technologie

Ein neues Einzeladditiv erzeugt gleichzeitig tiefschwarzen und deckend weißen Laserbeschriftungskontrast. Ideale Technologie zum Ersatz von Etiketten und Drucktinte auf blasgeformten Flaschen und spritzgegossenen Produkten.

Hebel im Fahrzeuginnenraum

Preisgekrönter Smart-Mitarbeiterausweis, RFID.

Kappenloser Kraftstoffeinfüllstutzen für Fahrzeuge

Medizinische Schläuche, FDA-konform für invasive chirurgische Eingriffe. On-the-Fly-Lasermarkierung ersetzt den Tintendruck.

Tiefschwarzer Laserbeschriftungskontrast. Das neue Additiv ist FDA-konform. Enthält kein Schwermetall Antimon-Zinnoxid/-trioxid. Ideal für Tiere.

On-the-Fly-Lasermarkierung linerloser Getränkeverschlüsse. FDA-konformes Additiv. Markierungsgeschwindigkeit von 2.000 Verschlüssen pro Minute. HDPE, PE, Polypropylen und mehr.

Medizinische Spritzen aus Polyolefin, FDA-zugelassenes Laseradditiv, ersetzt den Tampondruck

Tag-/Nachtmarkierung mittels Laser, Beschichtungen auf Wasserbasis

Oberflächenreaktionen bei der Laserbeschriftung

Spezielle Laseradditive in Foto-/Ausweiskarten für die Produktsicherheit

Durchbruch bei Laseradditiven

SABREEN-Erfindung

Fachbegriffe der Laserbeschriftung

Die „Laserbeschriftung“ von Kunststoffen ist ein berührungsloses digitales Verfahren, bei dem dauerhafte Informationen mit minimaler Materialeindringtiefe auf die Substratoberfläche aufgebracht werden. Die Informationen liegen typischerweise in Form von alphanumerischem Text, Symbolen, Grafiken, Logos, Schaltplänen, Barcodes, Codes für die industrielle Bildverarbeitung usw. vor. Strahlgelenkte Ytterbium-Faserlaser (sowie die Vorgänger bogenlampen- und diodengepumpter Nd:YAG-Laser) mit einer Wellenlänge von 1060–1080 nm (nahes Infrarot) verfügen über ideale Wellenleitereigenschaften, abgestimmt auf ihre Emissionswellenlänge und Leistungsdaten (Spitzen- und Durchschnittsleistung). Flying Optics ist eine alternative Methode zur Bauteilmarkierung. Ausgewählte Farben bestimmter polymerer Materialien lassen sich zudem mit kürzeren Wellenlängen von 532 nm (frequenzverdoppelt) und UV 355 nm markieren.

Das grundlegende Funktionsprinzip der strahlgelenkten Laserbeschriftung bei einer Wellenlänge von 1060–1080 nm besteht darin, das Polymer mit einer energiereichen Strahlungsquelle zu bestrahlen. Die Strahlungsenergie wird lokal vom Material absorbiert und in thermische Energie umgewandelt. Diese thermische Energie löst wiederum Reaktionen im Substratmaterial aus. Im nahen IR-Wellenlängenbereich sind mehrere Reaktionsarten möglich, darunter Verkohlung, Ablation und chemische Veränderung. Je nach gewünschtem Beschriftungskontrast können sehr unterschiedliche Chemien und Laseranlagenparameter gewählt werden, um die bevorzugte Reaktionsart zu erzielen.

Eine Karbonisierungs- bzw. Verkohlungsreaktion tritt auf, wenn die absorbierte Energie die lokale Temperatur des Materials rund um die Absorptionsstelle so weit erhöht, dass eine thermische Zersetzung des Polymers ausgelöst wird. In Gegenwart von Sauerstoff führt dies zur Verbrennung des Polymers; innerhalb des Werkstücks bewirkt jedoch die begrenzte Sauerstoffzufuhr eine Verkohlung des Polymers, wodurch eine schwarze Markierung entsteht. Die Dunkelheit der Markierung hängt sowohl von der absorbierten Energie als auch vom thermischen Zersetzungsverlauf des Materials ab.

Beispiel – ABS-Computertastenkappen

Das Laserätzen von Kunststoffen (auch als „Ablation“ bezeichnet) ist ein berührungsloses digitales Verfahren, bei dem ein Laserstrahl Material von der Substratoberfläche durch Verdampfen oder Schmelzen mit minimaler Eindringtiefe abträgt. Die Tiefe einer Laserätzung beträgt in der Regel nicht mehr als 0,001 Zoll.

Beispiel – Tag-/Nacht-Fahrzeugtasten

Bei der Tag/Nacht-Anwendung werden Materialschichten abgetragen, um eine bestimmte Farbschicht freizulegen. Das Beispiel zeigt eine weiße Grundbeschichtung, die mit einer oder mehreren schwarzen Lackschichten überzogen ist. Das Basispolymer ist typischerweise klares Polycarbonat oder ABS – beides amorphe Polymere, die (Hinter-)Licht von LED-Quellen durchlassen. Tiefere Markierungen in das Substrat gelten nicht mehr als reines Oberflächenätzen, sondern als „Gravur“ des Materials.

Hinterleuchtete Tag/Nacht-Fahrzeugtasten – Lackierung und Laserablation

Die Lasergravur ist ein tiefergehendes Verfahren als das Laserätzen und die Laserbeschriftung. CW-CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µm werden typischerweise für die direkte, farblose Gravur von Polymeren eingesetzt. Eine weitere Anwendung der Gravur ist die mehrschichtige Gravur selektiver Farbschichten (Kernfarbe und Oberflächenfarbe), z. B. bei Namensschildern, Etiketten und Beschilderungen.

Die Leistungsdichte ist eine Funktion der fokussierten Laserspotgröße (Laserleistung pro Flächeneinheit, Watt/cm²) und unterscheidet sich von der reinen Ausgangsleistung des Lasers. Die fokussierte Spotgröße hängt bei gegebener Brennweite des Objektivs und Laserwellenlänge von der Strahldivergenz ab, die durch die Laserkonfiguration, die Blendengröße zur Modenselektion und die Vergrößerung des Aufweitkollimators (Strahlaufweiter) bestimmt wird.

Die Pulswiederholrate (über einen akustooptischen Q-Switch) und die Spitzenleistungsdichte sind entscheidende Parameter für die Ausbildung der Markierung sowie für optimalen Kontrast und optimale Geschwindigkeit. Hohe Spitzenleistung bei niedriger Frequenz erhöht die Oberflächentemperatur schnell, wodurch das Material verdampft, während nur minimale Wärme in das Substrat eingebracht wird. Mit steigender Pulswiederholrate erzeugt eine niedrigere Spitzenleistung eine geringere Verdampfung, jedoch mehr Wärme. Auch die Strahlgeschwindigkeit (Geschwindigkeit des Laserstrahls über die Werkstückoberfläche) ist ein entscheidender Faktor.

Laseradditive verbessern den Kontrastgrad, der durch Anpassung der Laser-Einstellparameter weiter verstärkt werden kann. Polymere besitzen von Natur aus Eigenschaften, die einen „dunklen“ oder „hellen“ Beschriftungskontrast ergeben. Manche Farbmittelverbindungen mit geringen Anteilen an Titandioxid (TiO2) und Ruß können ebenfalls Laserlicht absorbieren und in manchen Fällen den Beschriftungskontrast verbessern. Jede Polymer-Type kann, selbst innerhalb derselben Polymerfamilie, unterschiedliche Ergebnisse liefern. Additivformulierungen dürfen nicht toxisch sein und weder das Erscheinungsbild noch die physikalischen oder funktionalen Eigenschaften des Produkts beeinträchtigen.

Im Vergleich zu Drucktintenverfahren (Tampon-/Siebdruck und Tintenstrahldruck) sparen Laseradditive Kosten und ermöglichen gegenüber nicht optimierten Materialformulierungen um 15 Prozent (oder mehr) höhere Markierungsgeschwindigkeiten. Laseradditive werden in Form von Pellet-Granulat und Pulver geliefert. Granulatprodukte können direkt mit dem Polymerharz vermischt werden, während Pulverformen zu Masterbatch verarbeitet werden. Sie lassen sich besonders leicht in Polymeren dispergieren. Je nach Additiv und Polymer liegt die Dosierkonzentration nach Gewicht (im fertigen Bauteil) zwischen 0,01 und 4,0 Prozent.

Sowohl Granulat- als auch Pulverformen können zu vorkompoundiertem Farbmaterial oder Farbkonzentrat verarbeitet werden. Die Wahl des einzusetzenden Additivs richtet sich nach der Polymerzusammensetzung, der Substratfarbe, dem gewünschten Beschriftungskontrastfarbton und den Zertifizierungsanforderungen für den Endgebrauch. Manche Additive enthalten Mischungen aus antimondotiertem Zinnoxid und Antimontrioxid, die der natürlichen (ungefärbten) Substratopazität einen „gräulichen“ Farbton verleihen können. Andere Additive können Aluminiumpartikel, Mischmetalloxide und proprietäre Verbindungen enthalten. Farbanpassungen erfolgen mittels Pigmenten und Farbstoffen, um das endgültige Farbabgleichsergebnis zu erzielen.

In der handelsüblich gelieferten Form haben bestimmte Additive (die auch für das Laserschweißen verwendet werden) eine FDA-Zulassung für den Lebensmittelkontakt und die Verwendung in Lebensmittelverpackungen gemäß den Bedingungen A–H von 21 CFR 178.3297 „Colorant for Polymers“ erhalten. Für die Europäische Union liegen vergleichbare Konformitätserklärungen vor. Die Zertifizierungsbedingungen sind spezifisch für den Polymertyp, den Dosierungsschwellenwert sowie den direkten oder indirekten Kontakt. Eine weitergehende Qualifizierung FDA-zugelassener Additive im fertigen Bauteil kann die Biokompatibilität von Medizinprodukten sicherstellen (siehe internationale Norm ISO-10993).

Höhere Markierungsgeschwindigkeiten erzielen

Die zum Markieren eines Bauteils benötigte Zeit hängt vom polymeren Substrat, der Anzahl der gezeichneten Vektorlinien sowie der Geschwindigkeit ab, mit der der Laserstrahl bzw. der Galvanometer-Scankopf alle Linien zeichnet. Auch die Lasersoftware sowie die Art der Vektorfüllung – unidirektional, bidirektional oder mäanderförmig – können die Markierungszeit beeinflussen.

Neue unabhängige Studien zeigen, dass durch den Einsatz von Laseradditivformulierungen bei sehr niedrigen Konzentrationen – typischerweise 0,01 % bis 2,0 % – statistisch signifikant höhere Markierungsgeschwindigkeiten erreichbar sind.

Die Abbildung rechts zeigt ein thermogravimetrisches Analyse-Diagramm (TGA) für zwei Polyethylene hoher Dichte. Die beiden Polymere weisen unterschiedliche thermische Zersetzungstemperaturen auf – der Prozess, der die Lasermarkierung erzeugt. Das Polymer mit der höheren Temperatur benötigt mehr Laserenergie, niedrigere Markierungsgeschwindigkeiten oder stärker absorbierende Additive, um dasselbe Markierungsbild zu erzielen.

Thermogravimetrische Analyse (TGA) von Raumtemperatur bis 1000 °C für zwei HDPE-Proben mit unterschiedlichen thermischen Zersetzungstemperaturen. HDPE B lässt sich leichter und schneller markieren als HDPE A.

Primäre Formgebungsprozesse

Nach Abschluss der „laseroptimierten“ Materialentwicklung (einschließlich der Festlegung von optimalem Kontrast, Chroma-Farbton und Laser-Einstellparametern) folgt ein Formversuch mit dem tatsächlichen Serienwerkzeug beim korrekten Let-down-Verhältnis. Dieser Schritt ist entscheidend, um eine gleichmäßige Dispersion und Verteilung der laseroptimierten Farbmatrix sicherzustellen. Nach dem Formen werden die tatsächlichen Produktteile lasermarkiert, um die ursprünglichen Ergebnisse zu bestätigen.

Eine Technik besteht darin, den strahlgelenkten Laser so zu programmieren, dass er die gesamte Produktoberfläche fortlaufend markiert (abrastert). Die Abbildung links zeigt (von links nach rechts) einen spritzgegossenen Schreibstift mit Gold-auf-Schwarz-Chroma-Lasermarkierung (links), die beiden mittleren Bilder zeigen eine schlechte Chroma-Verteilung, und das Bild ganz rechts zeigt eine hervorragende, gleichmäßige Verteilung.

Verarbeitungshinweise

Bei der Dosierung von Laseradditiven bzw. der Farbabgleichchemie enthält ein Fertigprodukt nicht selten weniger Laseradditiv als rechnerisch vorgesehen. Dieses Problem hängt fast immer mit einer ungleichmäßigen Verteilung während der Extrusion oder des Formens zusammen. Einfache Anpassungen an der Formmaschine, etwa eine Erhöhung des Staudrucks und der Schneckendrehzahl, beheben die meisten Probleme. Eine homogene Verteilung/Dispersion der Laseradditive im gesamten Bauteil ist entscheidend für eine optimale Markierungsleistung. Bei Extrusion, Spritzguss und Thermoformen liefern vorgefärbte Compounds im Vergleich zu Farbkonzentraten eine bessere Gleichmäßigkeit. Manuelles Mischen sollte vermieden werden. Formfüllverhalten sowie Anschnitttyp und -lage sind wichtige Einflussfaktoren.

Nicht alle Laser sind gleich! Die Hardware- und Softwarekomponenten, die ein Laserhersteller in seine Systeme integriert, machen einen erheblichen Unterschied bei Markierungsqualität, Geschwindigkeit und Vielseitigkeit aus. Bei der Beschaffung von Laseranlagen sollte stets bedacht werden, dass es keine einzige universelle Lösung gibt. Jede Anwendung ist einzigartig – abhängig von Zusammensetzung und Farbe des Kunststoffsubstrats, Markierungsqualität, Geschwindigkeit, Lasereffizienz, Kontrast (dunkel auf hell, hell auf dunkel oder farbig) sowie den Gesamtsystemkosten.

Der Ausgangsmodus der Strahlqualität bezeichnet die Energieverteilung innerhalb des Laserstrahls und ist entscheidend für die Markierungsleistung. Hersteller können Laser als Multimode (MM), TEM00 (Transversal-Elektromagnetischer Mode) oder in jeder Zwischenstufe einschließlich Low-Order Mode (LOM) anbieten. Diese Ausgangsmodi hängen unter anderem von der Strahldivergenz und der Leistungsverteilung über den Durchmesser des Laserstrahls ab. Ein TEM00-Laserstrahl lässt sich auf die kleinstmögliche Spotgröße fokussieren, die die Fokussieroptik zulässt, und die Energieverteilung in einem TEM00-Laserstrahl ist im Zentrum am intensivsten und nimmt gleichmäßig zum Rand hin ab. TEM00-Laserstrahlung bietet die höchste Strahlqualität. Multimode-(MM-)Laserstrahlung bietet die geringste Strahlqualität.

Siehe Abbildung unten. Low-Order- und TEM00-Mode-Laser eignen sich besonders gut für die schnelle Vektor-Markierung von einstrichigen Alphanumerik-Zeichen, gefüllten True-Type-Schriftarten und komplexen Grafiken, da sie einen kleinen, fokussierten Spot mit sehr hohen Leistungsdichten erzeugen können. Dies führt zu einer sehr schmalen Linie mit klar definierten Kanten, die schnell gezeichnet werden kann. Die meisten Kunststoffanwendungen sind mit Near-TEM00- oder TEM00-Laserstrahlen optimal.

Die Leistungsdichte ist eine Funktion der fokussierten Laserspotgröße (Laserleistung pro Flächeneinheit, Watt/cm²) und unterscheidet sich von der reinen Ausgangsleistung des Lasers. Die fokussierte Spotgröße hängt bei gegebener Brennweite des Objektivs und Laserwellenlänge von der Strahldivergenz ab, die durch die Laserkonfiguration, die Blendengröße zur Modenselektion und die Vergrößerung des Aufweitkollimators (Strahlaufweiter) bestimmt wird. Die Pulswiederholrate (über einen akustooptischen Q-Switch) und die Spitzenleistungsdichte sind entscheidende Parameter für die Ausbildung der Markierung sowie für optimalen Kontrast und optimale Geschwindigkeit.

Hohe Spitzenleistung bei niedriger Frequenz erhöht die Oberflächentemperatur schnell und lässt das Material verdampfen, wobei nur minimale Wärme in das Substrat eingebracht wird. Mit steigender Pulswiederholrate erzeugt eine niedrigere Spitzenleistung eine geringere Verdampfung, jedoch mehr Wärme. Auch die Strahlgeschwindigkeit (Geschwindigkeit des Laserstrahls über die Werkstückoberfläche) ist ein entscheidender Faktor.

Die Lasersteuerungssoftware ist ebenso wichtig wie jede Hardwarekomponente im Markierungssystem. Fortschrittliche Softwarealgorithmen ermöglichen beispiellose Geschwindigkeiten. Strahlgelenkte Lasermarkierer werden mitunter fälschlicherweise mit (Desktop-)Druckern gleichgesetzt. Tatsächlich handelt es sich um Plotter. Anstatt einzelne Pixel zu setzen, um alphanumerische Zeichen oder Grafiken zu erzeugen, zeichnet der Laser Linien – ähnlich wie beim Schreiben mit Bleistift und Papier. Unabhängig vom ursprünglichen Eingabedateiformat, das zur Erstellung der Lasermarkierungsobjekte verwendet wurde, wird jede Markierung letztlich auf ihre einfachste Form reduziert: eine Liste von Vektorlinien, die vom Scankopf gezeichnet und vom Laser markiert werden. Komplexe, von Konstrukteuren häufig verwendete Eingabedateiformate liefern nicht zwangsläufig die beste (oder schnellste) Vektor-Lasermarkierung. Lasermarkierungsanlagen müssen sicher sein und den ANSI-Z136-Normen entsprechen.

Strahlgelenkte Nd:YAG-Lasermarkierer (mit Bogenlampen- oder Diodenlichtquellen) nutzen Spiegel, die auf schnellen, computergesteuerten Galvanometern montiert sind, um den Laserstrahl über die zu markierende Oberfläche zu führen – ähnlich wie beim Schreiben mit Bleistift und Papier.

Jedes Galvanometer – eines für die Y-Achse, eines für die X-Achse – ermöglicht die Strahlbewegung innerhalb des Markierungsfelds. Eine Flachfeldobjektiv-Baugruppe fokussiert das Laserlicht, um eine hohe Leistungsdichte auf der Substratoberfläche zu erzielen. Die Abbildung rechts zeigt ein optisches Strahlführungssystem mit computergesteuerten Galvanometern.

Grundsätzlich unterscheiden sich Faserlaser von anderen Festkörper-Markierlasern. Bei Faserlasern ist das aktive Medium, das den Laserstrahl erzeugt, in einem speziellen Glasfaserkabel verteilt. Im Gegensatz zu fasergekoppelten Lasern verläuft der gesamte Strahlengang bis zur Strahlführungsoptik innerhalb des Glasfaserkabels.

Die Fortschritte in der Lasertechnologie waren entscheidend für die rasche Entwicklung der neuesten Generation FDA-zugelassener Laseradditive. Das Aufkommen von Nanosekunden-Ytterbium-Faserlasern zählt zu den bedeutendsten Fortschritten für Markieren, Schweißen und Schneiden. Grundsätzlich unterscheiden sich Faserlaser von anderen Festkörper-Markierlasern. Bei Faserlasern ist das aktive Medium, das den Laserstrahl erzeugt, in einem speziellen Glasfaserkabel verteilt. Im Gegensatz zu fasergekoppelten Lasern verläuft der gesamte Strahlengang bis zur Strahlführungsoptik innerhalb des Glasfaserkabels.

Faserlaser bieten im Vergleich zu Nd:YAG-Lasern eine überlegene Strahlqualität und Helligkeit. Eine Kenngröße für die Strahlqualität ist M². Je kleiner der M²-Wert, desto besser die Strahlqualität, wobei M² = 1 dem idealen Gauß-Laserstrahl entspricht. Ein Laser mit überlegener Strahlqualität lässt sich auf eine kleine Spotgröße fokussieren, was zu einer hohen Energiedichte führt. Faserlaser mit fester und variabler Pulslänge (MOPA), mit Pulsenergien bis 1 mJ und hoher Leistungsdichte, können viele historisch schwierig zu markierende Polymere bearbeiten. Auch Vanadat-Laser besitzen einen kleinen M²-Wert bei kürzerer Pulsdauer als Festfaser- und YAG-Laser. Die Pulsdauer beeinflusst den Grad der Erwärmung und Karbonisierung im Material. Kürzere Pulsdauern können bei empfindlichen polymeren Anwendungen von Vorteil sein.

IPG Photonics, ein führender Entwickler und Hersteller von Hochleistungs-Faserlasern, bietet sowohl Laser mit fester Pulslänge (mitunter als „Q-Switch“ bezeichnet) als auch mit variabler kurzer Pulslänge (MOPA) an. Die Anwendungsentwicklung ist hochgradig spezifisch. Die Wahl des einzusetzenden Lasertyps richtet sich nach den Ausgangseigenschaften des Lasers im Zusammenspiel mit dem optimierten Polymermaterial. Siehe die Diagramme unten, die die zeitlichen Pulsformen von Ytterbium-Faserlasern mit fester und variabler (MOPA) Pulslänge darstellen – IPG Photonics.

Abbildung 1. Zeitliche Pulsform eines IPG-Lasers mit fester Pulslänge bei 100 ns Pulsdauer

Bei der Einrichtung eines Faserlasers mit fester Pulslänge für die Markierung müssen zwei Parameter eingestellt werden.

1) Pulswiederholrate (häufig auch als Pulsfrequenz bezeichnet)

2) Pumpleistung in Prozent (100 Prozent entsprechen der maximal möglichen elektrischen Eingangsleistung an die Pumpdioden)

Abbildung 2. Zeitliche Pulsform eines IPG-MOPA-Lasers bei 4 ns Pulsdauer

Bei der Einrichtung eines MOPA-Faserlasers mit variabler kurzer Pulslänge für die Markierung werden drei Parameter eingestellt.

1) Pulsdauer (häufig auch als Pulslänge bezeichnet)

2) Pulswiederholrate (Pulsfrequenz)

3) Pumpleistung in Prozent (100 Prozent entsprechen der maximal möglichen elektrischen Eingangsleistung an die Pumpdioden)

Bei beiden Diagrammen auf der vorherigen Seite bestimmt die jeweilige Kombination der Parametereinstellungen die Ausgangseigenschaften des Laserstrahls, nämlich die Pulsenergie, die Spitzenleistung (der höchste Momentanwert der Pulsenergie, J/Pulsdauer) und die mittlere Leistung (mittlere Leistung in Watt = Pulsenergie in Joule × Pulswiederholrate in Hz).

Pulswiederholrate und Spitzenleistungsdichte sind entscheidende Parameter für die Ausbildung der Markierung sowie für optimalen Kontrast und optimale Geschwindigkeit. Die rechnerischen Kurven von Leistung gegenüber Pulswiederholrate verlaufen umgekehrt proportional. Hohe Spitzenleistung bei niedriger Frequenz erhöht die Oberflächentemperatur schnell und lässt das Material verdampfen, wobei nur minimale Wärme in das Substrat eingebracht wird. Mit steigender Pulswiederholrate erzeugt eine niedrigere Spitzenleistung eine geringere Verdampfung, jedoch mehr Wärme. Weitere Einflussfaktoren auf Beschriftungskontrast und -qualität sind selbstverständlich die Strahlgeschwindigkeit und der Abstand der Vektorlinien.

Die „On-the-Fly“-Lasermarkierung wird an geformten und extrudierten Produkten wie Draht/Kabel, Schläuchen und Rohren durchgeführt. Bei synthetischen Weinkorken aus Polyolefin und Promotionen auf der Innenseite linerloser Getränkeverschlüsse sind Markierungsgeschwindigkeiten von 2.000 Stück pro Minute für alphanumerischen Text und Grafiken möglich. Die Markierungsgeschwindigkeit hängt von vielen Variablen ab, darunter Polymertyp, Substratfarbe, Art und Dosierung des Laseradditivs, Kabelgröße (Gewicht), Lasertyp und -leistung, Software, Anzahl der alphanumerischen Zeichen, Texthöhe, Länge der Textzeichenfolge, Zeichenabstand, Barcode/Data-Matrix-Code, Logos/Grafiken, einstrichige oder gefüllte True-Type-Schriftarten, Füllrichtung sowie fortlaufender oder sich wiederholender Text. Der Einsatz des richtig formulierten Additiv-Farbmittels stellt sicher, dass die „Leistungsdichte“ an der Markierungsoberfläche nicht der limitierende Faktor ist – vielmehr arbeiten die strahlgelenkten Galvanometer mit maximaler Geschwindigkeit.

Angesichts der Komplexität der Faktoren, die die On-the-Fly-Markierungsleistung in der Produktion beeinflussen, muss jede Anwendung präzise untersucht werden. Es lassen sich kaum allgemeingültige Regeln ableiten. Zur allgemeinen Orientierung dient jedoch folgendes Nylon-Beispiel: 50-Watt-Faserlaser, 254-mm-Flachfeldobjektiv, 100 alphanumerische Zeichen, 2 mm Höhe, mit einer sich wiederholenden Textzeichenfolge von 14,68 Zoll Länge und einer Markierungszeit von 0,232 Sekunden. Die berechnete Geschwindigkeit beträgt rund 315 Fuß pro Minute.

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