Laserbeschriftung Nylon

Laserbeschriftung, Lasergravur und Laserätzen von Nylon (Polyamid)

So beschriften Sie Nylon-Polyamid-Kunststoffe mit Faserlasern

Nylon-Kunststoffe, auch als Polyamid bekannt, sind eine bedeutende Klasse von Thermoplasten, die in Hochleistungsanwendungen wie Schusswaffen, Elektronik, Automobil-Ansaugkrümmern, Fahrradkomponenten, Rohren, Tieridentifikationsmarken, Sportschuhsohlen und mehr eingesetzt werden. Sie zählen aufgrund ihrer unterschiedlichen Materialeigenschaften, Formgebungsbedingungen und Laserkonfigurationen zu den am schwierigsten mit dem Laser zu beschriftenden, zu gravierenden oder zu ätzenden Polymeren. Ytterbium-Faserlaser eignen sich ideal zur Erzeugung schwarzer Markierungen durch Karbonisierung, weißer Markierungen durch Schaumbildung sowie von Farbänderungen durch laserinduzierte thermochemische Reaktionen pigmentierter Polymere. Laserbestrahlungsstärke, Fluenz und Strahloptik sind wichtige Faktoren bei der Kunststoffbeschriftung. MOPA-Faserlaser mit variabler Pulsbreite bieten die beste Kontrolle der Pulsbreite und begrenzen gleichzeitig übermäßige Wärmeentwicklung.

Nylon ist in einer Vielzahl von Materialtypen erhältlich (z. B. Nylon 6,6; Nylon 6,12; Nylon 4,6; Nylon 6; Nylon 12 usw.), wodurch ein breites Spektrum an Materialien und Eigenschaften verfügbar ist – als Homopolymer, Copolymer oder verstärkte Variante. In verstärktem Nylon werden häufig lange und kurze Glasfasern eingearbeitet. Dies ist zwar vorteilhaft für die strukturelle Leistungsfähigkeit, hat jedoch den Nachteil, dass durch die Formgebung verursachte „Glasaustritt“-Defekte die Laserbeschriftbarkeit verringern.

Geformte Oberflächen müssen harzreich sein, damit die Energie des Lasers mit der Polymermatrix wechselwirken kann. Nylon kann zudem mit anderen technischen Kunststoffen gemischt werden, um bestimmte Leistungseigenschaften zu verbessern. Diese Faktoren beeinflussen grundsätzlich, wie jeder Materialtyp auf die Laserbeschriftung reagiert. Farben, Pigmente und Farbstoffe, Füllstoffeigenschaften sowie die Compoundierung durch verschiedene Lieferanten, die Dispersion und Verteilung beim Formen und die Oberflächenstruktur sind allesamt Faktoren, die die Beschriftungsqualität beeinflussen.

Hochwertige Laserbeschriftung mit industriellen Faserlasern: Funktionale und dekorative, dauerhafte Markierungen steigern den Produktwert und schützen gleichzeitig vor Produktfälschung. Der Schlüssel zu einem hochwertigen Beschriftungskontrast und einer hohen Beständigkeit liegt darin, laserverstärkende Additive während des Formprozesses in das Nylon-Material einzubringen – sei es über Farbkonzentrate oder vorcompoundierte Materialien. Speziell für Nahinfrarot-Laser entwickelte Additive optimieren den Beschriftungskontrast, ohne die Materialeigenschaften zu beeinträchtigen, erhöhen die Beschriftungsgeschwindigkeit (kürzere Zykluszeit) und sind kostengünstig.

Experten für industrielle Laserbeschriftung

Gesamtlösungen aus einer Hand für die Kunststoff-Laserbeschriftung – von der Materialwissenschaft bis zur individuellen Systemintegration.

Technische Dienstleistungen

• Individuelle Laserfarbabstimmungs-Formulierungen und -Compounds, Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, Prototypenmuster – Masterbatch, vorcompoundierte Materialien (vorgefärbt), Laserlaminate.
• Konstruktion von Laseranlagen, schlüsselfertige Systemintegration & Schulung, industrielle Bildverarbeitung, kundenspezifische HMI, Prozessdokumentation.
• Problemlösung vor Ort (weltweit an jedem Standort), Laserprozessanalyse & Systemoptimierung, individuelle vektorisierte Grafiken.
• Laser-Sicherheitszertifizierung, vollständige Anwendung einschließlich Konstruktion & CDRH-Class-1-Gehäuse, Laserschutzbeauftragter (LSO) für interne Audits.
• Kunststoff-Spritzguss & analytische Untersuchung, Formfließanalyse, Dispersion/Verteilung von Additiven und Farbmitteln.
• Lohnbeschriftungsdienstleistungen

Strahlqualität des Lasers: Ytterbium-Faserlaser arbeiten im Nahinfrarot-Spektrum (NIR) mit Wellenlängen von 1060–1070 nm. Der Strahlqualitätsfaktor M2 quantifiziert die Fokussierbarkeit eines Strahls und ist entscheidend für die Beschriftungsleistung. Der M2-Faktor eines Laserstrahls begrenzt den Grad, in dem der Strahl bei einer gegebenen Strahldivergenz fokussiert werden kann, die wiederum durch die Apertur der Fokussierlinse begrenzt wird. M2 = 1 entspricht dem idealen Gauß'schen Laserstrahl. Zusammen mit der optischen Leistung bestimmt der Strahlqualitätsfaktor die Helligkeit („Strahldichte“) des Laserstrahls. Ein konsistenter M2-Faktor ist wichtiger als der Wert selbst, da unterschiedliche Anwendungen unterschiedliche Strahlmodi erfordern. Leistungsschwächere Laser leiden häufig unter mangelnder Konsistenz, was zu Schwankungen bei Markierung, Erscheinungsbild und Funktionalität führt. Industrielaser sind günstigen Großhandels- bzw. Hobby-Lasern von Wiederverkäufern überlegen. Billiglaser leiden unter unregelmäßiger Beschriftungsqualität sowie unter minderwertiger Optik und Elektronik, was zu Schwankungen der Strahlqualität und inkonsistenter Beschriftung führt. Nicht alle Laser sind gleich gut.

Laserbeschriftung, Lasergravur, industrielle Bildverarbeitung und eindeutige Bauteilidentifikation (IUID): MIL-STD 130 ist für die Bestandsverwaltung und Produktverfolgung in zahlreichen Branchen von Nutzen. Eine schlechte Beschriftungsqualität ist besonders problematisch und kostspielig, wenn 1D-Barcodes und 2D-AIM-DPM-Codes von der Kamera nicht zuverlässig verifiziert und bewertet werden können. Laseradditive machen einen entscheidenden Unterschied, wenn hohe Auflösung, saubere Kantenqualität und kleine Datenzellen für die Direktbeschriftung (DPM) von Data-Matrix-Codes und Barcodes erforderlich sind. Je länger die Datenzeichenkette, desto kompakter werden die Datenzellen. Die Verifizierung mit Note „A“ (ISO 15415) wird häufig für Produkte aus den Bereichen Militär, Luft- und Raumfahrt, Automobil und Pharma gefordert. Eine hochkontrastreiche Codelesbarkeit bietet zusätzliche Vorteile, wie schnellere Beschriftungsgeschwindigkeiten und die Möglichkeit, in der gesamten Fabrik kostengünstige Handlesegeräte einzusetzen.

Häufig gestellte Fragen zur Laserbeschriftung von Nylon

Warum ergeben manche Nylon-Materialien eine bessere Beschriftung als andere? Zu den Mechanismen der Laserbeschriftung synthetischer Nylonarten gibt es zahlreiche Theorien, jedoch keine endgültige Antwort. Einige Experten sind der Ansicht, dass sich Nylonarten durch ihre Amidgruppen (CONH) unterscheiden. Amidgruppen schäumen leichter auf, was teilweise auf den Stickstoff zurückzuführen ist, während Methylengruppen besser zur Karbonisierung geeignet sind. Bei PA12 ähnelt die Struktur eher Polyethylen, mit einer Amidgruppe pro 12 Monomereinheiten. PA6 hingegen enthält eine Amidgruppe pro sechs Monomereinheiten. In der Praxis bedeutet dies, dass PA12 eine geringere Neigung zum Schäumen und eine höhere Neigung zu dunklen Markierungen als PA6 aufweist. Es gibt jedoch Ausnahmen von diesen allgemeinen Beobachtungen.

Produktdesign-Ingenieure müssen bei der Auswahl von Nylon sowohl die Bauteilleistung als auch dessen Laserbeschriftbarkeit berücksichtigen.

Was sind Nylon-Polyamide?

Polyamide, auch als Nylon bekannt, sind eine bedeutende Klasse von Thermoplasten, die in Hochleistungsanwendungen eingesetzt werden. Sie bestehen aus Amidbindungen, genauer –CO-NH–. Nylon wird durch Polykondensation hergestellt, bei der ein Diamin mit einer Disäure reagiert, oder durch ringöffnende Polymerisation von Lactamen mit sechs, elf oder zwölf Kohlenstoffatomen. Nylon-Monomere können aliphatisch, teilaromatisch oder aromatisch (Aramide) sein und in ihrer Struktur von amorph über teilkristallin bis zu unterschiedlichen Kristallinitätsgraden reichen. Zwei bedeutende Polyamide sind Poly(hexamethylenadipamid) (Nylon 6,6) und Polycaprolactam (Nylon 6). Zu den aliphatischen Polyamiden zählen Nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 und 1212. Der biobasierte technische Kunststoff Nylon 11 wird aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen, insbesondere aus Rizinuspflanzen.

Beeinflussen Glasfaser-Additive die Laserbeschriftung?

Die Beschriftungsqualität hängt vom Polymer, den Additiven und Farbmitteln sowie vom Spritzgussprozess ab. Oberflächenprobleme am geformten Polymer, welche die Lesbarkeit beeinträchtigen, können sich auf Sicherheit, Leistung und Funktion des Produkts auswirken. Ein Beispiel hierfür sind Glasfaser-Additive. Der Zusatz von Glasfasern kann sich nachteilig auf den Formprozess auswirken, was wiederum die Qualität der Laserbeschriftung beeinträchtigt. Der Glasfaseranteil variiert typischerweise zwischen 10 und 60 %. Es gibt zwei Arten der Glasfaserverstärkung – Kurzfaser und Langfaser –, die jeweils Vor- und Nachteile haben. Oberflächen von Formteilen müssen „harzreich“ sein, um eine hochwertige Beschriftung zu erzielen, bei der die Energie des Lasers mit der Polymermatrix wechselwirkt. Umgekehrt lassen sich glasfaserreiche Oberflächen schlecht beschriften, und das Problem verschärft sich mit steigendem Faseranteil. Glasfaser selbst absorbiert Nahinfrarot-Laserlicht (NIR) nur schlecht.

Wie funktionieren laserverstärkende Additive?

Da die meisten Polymere bei dieser Wellenlänge (NIR) nur eine begrenzte Absorptionsfähigkeit besitzen und keinen merklichen Kontrast erzeugen können, setzen Experten eine Vielzahl von Additiven, Füllstoffen, Pigmenten und Farbstoffen ein, um die Absorption zu erhöhen und einen hohen Kontrast zu erzielen. Additive erhöhen den Grad des Farbkontrasts (Absorption des Laserlichts), der durch die optimale Laserauswahl und Beschriftungsparameter weiter verstärkt wird. Entgegen der landläufigen Meinung gibt es kein einziges universelles Additiv.

Manche Additive enthalten mit Antimon dotiertes Zinnoxid sowie Antimontrioxid-Mischungen, die dazu führen können, dass die natürliche (ungefärbte) Substratopazität „gräulich“ erscheint. Andere Additive können Aluminiumpartikel, gemischte Metalloxide oder firmeneigene Verbindungen enthalten. Farbanpassungen erfolgen mit Pigmenten und Farbstoffen, um das gewünschte Farbabstimmungsergebnis zu erzielen. Bestimmte Additive sind von der FDA für den Lebensmittelkontakt und für Lebensmittelverpackungen gemäß den Bedingungen A-H von 21 CFR 178.3297 „Colorants for Polymers“ zugelassen.

Laseradditiv-Compounds sind als Pelletgranulat und als Pulver erhältlich. Granulatprodukte werden direkt mit dem Polymerharz vermischt, während Pulverformen zu Masterbatch verarbeitet werden. Die Zugabemenge (Gewichtsanteil im fertigen Bauteil) liegt üblicherweise zwischen 0,01 und 3,0 %. Um den besten Farbkontrast zu erzielen, müssen die Laseradditive gleichmäßig in jedem Bauteil verteilt/dispergiert sein.

Welche Arten von Mechanismen gibt es bei der Laserbeschriftung von Polymeren?

Lasermarkierbare Kunststoffe zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, Laserlicht zu absorbieren und anschließend im Nahinfrarot-Bereich (NIR) mit Wellenlängen zwischen 1060 nm und 1070 nm in thermische Energie umzuwandeln. Drei gängige Lasertypen sind Ytterbium-Faserlaser (MOPA & Fixpuls), Vanadat (Nd:YVO4) und Nd:YAG. Je nach Lasertyp und gewünschtem Beschriftungskontrast können verschiedene chemische Prozesse zur Erzeugung von Oberflächenreaktionen wie Karbonisierung (Verkohlung), chemischer Schäumung und Farbänderung genutzt werden. Die Beschriftungsqualität hängt von der absorbierten Energie und dem materialspezifischen thermischen Abbaupfad ab. Jede Polymerqualität kann, selbst innerhalb derselben Polymerfamilie, unterschiedliche Ergebnisse liefern. Derselbe Laser kann durch Anpassung der Einstellungen in der Beschriftungssoftware (Leistung, Pulswiederholrate und Markiergeschwindigkeit) alle Oberflächenreaktionen ausführen. Dauerstrich-CO2-Laser (CW) arbeiten mit einer Wellenlänge von 10,6 Mikrometern (fernes Infrarotspektrum). CW-CO2-Laser besitzen eine geringere Spitzenleistung und können auf Kunststoffen keine kontrastreichen Markierungen erzeugen.

Was ist der Unterschied zwischen Faserlasern und faserdurchgeführten Lasern?

Nanosekunden-Ytterbium-Faserlaser zählen zu den bedeutendsten Weiterentwicklungen für Beschriftung, Schweißen und Schneiden. Grundsätzlich unterscheiden sich Faserlaser von anderen diodengepumpten Festkörperlasern (DPSS) zur Beschriftung. Bei Faserlasern befindet sich das aktive Medium, das den Laserstrahl erzeugt, innerhalb eines speziellen Glasfaserkabels. Im Gegensatz zu faserdurchgeführten Lasern verläuft bei Faserlasern der gesamte Strahlengang bis zur Strahlführungsoptik innerhalb eines Glasfaserkabels. Diese vollständige Faserstruktur ist maßgeblich für die Zuverlässigkeit und Robustheit dieser Laser verantwortlich, was ihr rasches Wachstum erklärt.

Wie beeinflussen Pulswiederholrate und Spitzenleistung die Beschriftung?

Pulswiederholrate und Spitzenleistungsdichte sind entscheidende Parameter für die Ausbildung der Markierung sowie für optimalen Kontrast und optimale Geschwindigkeit. Eine hohe Spitzenleistung bei niedriger Frequenz erhöht die Oberflächentemperatur schnell und verdampft das Material, während nur minimal Wärme in das Substrat geleitet wird. Mit steigender Pulswiederholrate erzeugt eine geringere Spitzenleistung eine minimale Verdampfung, leitet jedoch mehr Wärme ein. Die Kurvenverläufe von Leistung und Pulswiederholrate sind umgekehrt proportional zueinander. Weitere Einflussfaktoren wie Markiergeschwindigkeit des Strahls und Linienabstand des Vektors bestimmen Beschriftungskontrast und -qualität. Durch sorgfältige Anpassung und Steuerung dieser Parameter lassen sich mit der Laserbeschriftung präzise, hochwertige Markierungen auf einer Vielzahl von Kunststoffmaterialien erzeugen. Es handelt sich um eine Abwägung, die von den Materialeigenschaften, der gewünschten Markierungstiefe und der erforderlichen Beschriftungsgeschwindigkeit abhängt. Die Zugabe von Laserabsorbern zum Kunststoff erweitert das Spektrum lasermarkierbarer Kunststoffmaterialien erheblich, verbessert die Markierungsqualität und vergrößert das Prozessfenster, um eine konsistente Markierung sicherzustellen.

Was ist Laserbestrahlungsstärke?

Laserbestrahlungsstärke: Die Bestrahlungsstärke ist die Laserleistung pro Flächeneinheit, gemessen in Watt pro Quadratzentimeter (W/cm2). Sie entspricht im Wesentlichen der Intensität des Laserstrahls, die eine Funktion der fokussierten Spotgröße ist. Die fokussierte Laser-Spotgröße ist für eine gegebene Fokuslinse und Laserwellenlänge eine Funktion der Strahldivergenz. Eine größere Spotgröße führt zu einer geringeren Energiedichte. Eine hohe Bestrahlungsstärke kann zu einer schnellen Erwärmung und Verdampfung des Materials führen, während eine niedrige Bestrahlungsstärke möglicherweise überhaupt keine sichtbare Markierung erzeugt. Die Bestrahlungsstärke beeinflusst Geschwindigkeit und Qualität des Beschriftungsprozesses. Eine hohe Bestrahlungsstärke kann zu einer schnelleren Beschriftung führen, da das Material rasch erhitzt und verdampft wird. Ist die Bestrahlungsstärke jedoch zu hoch, kann dies Materialschäden wie Rissbildung oder übermäßiges Verbrennen verursachen. Eine zu niedrige Bestrahlungsstärke wiederum kann zu einer langsamen Beschriftungsgeschwindigkeit oder gar keiner sichtbaren Markierung führen.

Die Intensität wird beeinflusst durch:

• Pulsfrequenz (Hz, kHz) – Pulswiederholrate
• Laserleistung (Watt) – zu unterscheiden von der Leistungsdichte W/cm2
• Fokusspotgröße – auch als Fokusdurchmesser bezeichnet
• Pulsbreite – die Zeit zwischen Beginn und Ende eines Impulses, gemessen in Nanosekunden, Piko- oder Femtosekunden. Ein Faktor zur Steuerung der Energiedichte und entscheidend für die Prozessoptimierung. Die Anpassung der Pulsdauer ist bei MOPA-Lasern flexibler als bei gütegeschalteten (Q-Switch, Fixpuls-)Faserlasern.

Was ist Laserfluenz?

Laserfluenz: Die Fluenz ist ein Maß für die Laserenergie pro Flächeneinheit. Sie wird üblicherweise in Joule pro Quadratzentimeter (J/cm2) gemessen. Die Fluenz bestimmt die Energiemenge, die auf die Materialoberfläche übertragen wird. Ist die Fluenz zu niedrig, wird das Material möglicherweise gar nicht beeinflusst. Ist sie zu hoch, kann das Material über die gewünschte Markierungswirkung hinaus übermäßig beschädigt werden. Die Fluenz muss für das jeweils zu beschriftende Material auf einem geeigneten Niveau liegen. Manche Materialien benötigen eine höhere Fluenz, um ausreichend Energie für eine sichtbare Markierung zu absorbieren, während andere eine geringere Fluenz erfordern, um Schäden zu vermeiden. Auch die Markierungstiefe kann durch die Fluenz beeinflusst werden; im Allgemeinen führt eine höhere Fluenz zu tieferen Markierungen.

Die Fluenz wird beeinflusst durch:

• Strahlintensität
• Scannergeschwindigkeit
• Pulsüberlappung
• Fokusstrahldurchmesser

Welche Vorteile bietet der MOPA-Faserlaser gegenüber gütegeschaltetem Fixpuls (Q-Switch)?

Das Aufkommen von MOPA-Faserlasern (Master Oscillator Power Amplifier) im Nanosekundenbereich mit Ytterbium ist eine der bedeutendsten Weiterentwicklungen bei der Laserbeschriftung von Kunststoffen. Ein branchenverändernder Laserentwurf liefert gepulste Energie nun auf eine andere Weise als herkömmliche Spiegel-/Q-Switch-Resonatoren. Der Entwurf nutzt „Wellenformen“ als Laserwerkzeug für eine schnelle Verarbeitung und eine feine Pulssteuerung. Grafik 1 zeigt die 40 unterschiedlich farbigen Wellenformpulse der TRUMPF TruPulse Nano MOPA-Faserlaser. Jede Farbe in der Grafik stellt eine eigene MOPA-Pulswellenform dar, mit der sich Fluenz und Bestrahlungsstärke ausbalancieren lassen, um die Beschriftungsergebnisse auf Kunststoff zu optimieren. Wie bei vielen konkurrierenden Technologien kommt es häufig zu Verwirrung und unbeabsichtigter Fehldarstellung wichtiger Begriffe und Unterscheidungsmerkmale.

Ein MOPA-Faserlaser (Diagramm 1) verstärkt eine modulierte Niedrigleistungs-Laserdiode in Telekommunikationsqualität, um präzise Hochleistungs-Laserpulse zu erzeugen. Durch die Modulation der Niedrigleistungsdiode mittels eines internen Pulsgenerators kann der Laser die Pulsbreite und die resultierende Pulsenergie über einen breiten Pulsmodulationsbereich gezielt einstellen, beibehalten oder anpassen.

Diagramm 1. Trumpf GTWave-Faserverstärkerdesign für konstante Strahlqualität M2

Diese Architektur entkoppelt die Laserparameter im Vergleich zu gütegeschalteten Systemen wirksam und ermöglicht eine bessere Prozessoptimierung und Wiederholbarkeit für konsistentere Beschriftungsergebnisse. Standard-MOPA-Faserlaserdesigns können ähnliche Schwankungen der Strahlqualität (M2) aufweisen wie gütegeschaltete Faserlaser. TRUMPF, ein führender Hersteller von Faserlasern, bietet ein patentiertes zweistufiges GTWave-Faserverstärkerdesign, das über den angegebenen Pulswiederholbereich hinweg eine konstante M2 gewährleistet. Im Gegensatz zu MOPA-Faserlasern funktioniert ein aktiv gütegeschalteter Faserlaser, indem die Verstärkung im Laserresonator unterbrochen wird, wodurch sich im Verstärker Verstärkungsenergie aufbaut, die bei Aufhebung der Unterbrechung als Hochleistungs-Laserpuls abgegeben wird. Bei gütegeschalteten Faserlasern sind die Schlüsselparameter eng miteinander gekoppelt.

Der Diodenstrom kann erhöht oder verringert werden, um die Ausgangsleistung zu ändern. Eine Erhöhung der Pulswiederholrate sollte eigentlich die mittlere Leistung erhöhen; bei gütegeschalteten Faserlasern ist dies jedoch nicht der Fall, da die Pulsleistung abnimmt. Diagramm 2 zeigt Leistung und Wiederholraten als Funktion der Zeit. Die M2 (Strahlqualität) gütegeschalteter Faserlaser kann bei jeder Änderung von Laserleistung und Pulswiederholrate erheblich schwanken. Eine Änderung des M2-Werts zwischen 1,1 und 1,5 führt zu einer Verdopplung der fokussierten Leistungsdichte, was die Beschriftungsqualität auf Kunststoffen drastisch verändern kann.

Diagramm 2. Aktiv gütegeschalteter Faserlaser

Anwendungen der Laserbeschriftung von Nylon

Nylon-Kunststoffe finden ein breites Anwendungsspektrum, unter anderem in den Bereichen Schusswaffen, Automobilindustrie, Elektrik & Elektronik, Industrie, Verbrauchsgüter sowie Öl & Gas. Die beliebtesten und zugleich anspruchsvollsten Kontrastfarben sind Deckweiß auf Schwarz, Tiefschwarz auf Weiß und Deckweiß auf Mittelblau.

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

Verwandte Artikel im Wissenszentrum

Faserlaser-Beschriftung von Nylon-(Polyamid-)Kunststoffen

Laserbeschriftung glasfaserverstärkter Polymere – Die Bedeutung des Spritzgussprozesses

Wie beschriftet man Kunststoff mit dem Laser? Kunststoff-Laserbeschriftung mit Laseradditiven

Laserbeschriftung und Bildverarbeitungscodes für Produktsicherheit und Rückverfolgbarkeit

Farb-Tintenstrahldruck und Laserbeschriftung für Kunststoffe

Digitaldrucktechnologien für Kunststoffe – Schwerpunkt Farb-Tintenstrahldruck und Laserbeschriftung

---