Durchbruch bei Laseradditiven für die Laserbeschriftung von Kunststoffen: überlegener Kontrast, präzise Linienkanten und hohe Geschwindigkeit

Durchbruch bei Laseradditiven für die Laserbeschriftung von Kunststoffen: überlegener Kontrast, präzise Linienkanten und hohe Geschwindigkeit

Die neueste Generation von Laseradditiven, die in Polymere eingearbeitet werden, ist ein wesentlicher technologischer Fortschritt, der sich als leistungsfähig und kostensparend erwiesen hat. Fortschrittliche materialwissenschaftliche Formulierungen erzielen überlegenen Beschriftungskontrast, präzise Linienkanten und hohe Geschwindigkeit auf Kunststoffen, die sich traditionell nur schwer oder gar nicht laserbeschriften ließen. Diese für erschwingliche Faser-, Vanadat- und YAG-Laser ausgelegten Formulierungen arbeiten im Nahinfrarotbereich bei 1060–1070 nm. Dieser Beitrag behandelt Anwendungen der Laserbeschriftung mit dunklem und hellem Kontrast, die auf die „thermisch-chemische Oberflächenkarbonisierung“ ausgelegt sind. Dies ist die häufigste Oberflächenreaktion von Polymeren und ein deutlich anderer chemischer Reaktionsweg als die Mechanismen „Schäumen“ und „Farbumschlag“.

Transparente und teiltransparente Polymere wie PVC, Polycarbonat und Polyolefine werden nun einzigartig mit schwermetallfreien, FDA-zugelassenen Additiven formuliert. Die Transparenz des Polymers und seine spektralen Transmissionseigenschaften bleiben unbeeinflusst. Dieser Durchbruch erzeugt tiefschwarzen Beschriftungskontrast mit minimalen Karbonisierungsrückständen auf der Oberfläche bei extrudierten Rohren und Schläuchen „im laufenden Prozess“ sowie in nachgelagerten Arbeitsschritten. Die tintenfreie Inline-Laserbeschriftung ersetzt nun Tiefdruck (Rotationsgravur) und Tampondruck. (Siehe Foto A.)

Wichtigste Erkenntnisse

• Ausgelegt für den Nahinfrarotbereich von 1060–1070 nm, der erschwingliche Faser-, Vanadat- und YAG-Laser abdeckt.
• Die thermisch-chemische Oberflächenkarbonisierung ist die häufigste Oberflächenreaktion von Polymeren und der Schwerpunkt dieser Formulierungen.
• Kein einzelnes Additiv löst jedes Beschriftungsproblem – Chemie und Lasereinstellung variieren je nach angestrebtem Kontrast.
• Die Einsatzkonzentration reicht von 0,01 % bis 4,0 % des Gewichts im Endbauteil, wobei die Farbe mit Pigmenten und Farbstoffen angepasst wird.
• Bis zu 25 % schnellere Beschriftung gegenüber nicht optimierten Materialien, bei Konzentrationen von nur 0,01 % bis 2,0 %.

Häufig gestellte Fragen

Wie viel schneller können optimal formulierte Additive die Beschriftung machen?

Unabhängige Studien zeigen statistisch signifikante Zuwächse, häufig 25 % oder mehr gegenüber nicht optimiertem Material, erzielt bei sehr niedrigen Konzentrationen von etwa 0,01 % bis 2,0 %. Da die Beschriftungszeit direkt in die Zykluszeitkosten eingeht, gleicht dies den Mehrpreis des Additivs schnell aus.

Wovon hängt ab, wie lange das Aufbringen einer Beschriftung dauert?

Vom Polymersubstrat, von der Anzahl der gezeichneten Vektorlinien und davon, wie schnell Strahl und Galvanometer-Scankopf diese Linien zeichnen. Auch die Lasersoftware und die Art der Vektorfüllung – unidirektional, bidirektional oder serpentinenförmig – beeinflussen die Beschriftungszeit.

Warum sieht das natürliche Substrat nach Zugabe von Additiv manchmal grau aus?

Manche Additive enthalten Mischungen aus antimondotiertem Zinnoxid und Antimontrioxid, die der Opazität des natürlichen, ungefärbten Substrats einen gräulichen Farbton verleihen. Farbanpassungen mit Pigmenten und Farbstoffen bringen das Bauteil zurück zur angestrebten Farbabstimmung.

Werden Additive als Pellets oder als Pulver geliefert?

Beides. Granulate werden direkt mit dem Polymerharz gemischt, während Pulverformen zu Masterbatch verarbeitet werden. Beide können als vorcompoundiertes Material oder als Farbkonzentrat geliefert werden.

Welches Fachwissen erfordert eine Formulierung für die Laserbeschriftung tatsächlich?

Kenntnisse über Polymere und die Sorteneigenschaften innerhalb jeder Familie sowie über Farbmittel, Pigmente und Farbstoffe hinsichtlich Löslichkeit, Partikelgröße, Grenzkonzentrationen, Farbabstimmung und regulatorische Zulassungen einschließlich GRAS und FDA-Direkt- bzw. -Indirektkontakt mit Lebensmitteln.

Reaktionsmechanismus der Laserbeschriftung von Polymeren

Polymere, die sich mit Lasern beschriften lassen, sind solche, die Laserlicht absorbieren und die Lichtenergie in Wärmeenergie umwandeln. Da die meisten Polymere bei 1060–1070 nm keine Absorptionseigenschaften besitzen, setzen Fachleute Additive, Füllstoffe, Pigmente und Farbstoffe ein, die die Absorption der Laserenergie für lokale Farbveränderungen verstärken. Die materialwissenschaftliche Chemie für kontrastreiche und farbige Laserbeschriftung ist Kunst und Wissenschaft zugleich. Entgegen der landläufigen Meinung gibt es kein einzelnes Laseradditiv, das alle Beschriftungsprobleme löst. Je nach gewünschtem Beschriftungskontrast und gewünschter Funktionalität kommen stark unterschiedliche Formulierungschemien und Laseroptiken bzw. Einstellparameter zum Einsatz.

Der häufigste Oberflächenreaktionsmechanismus wird als thermisch-chemische „Karbonisierung“ oder „Verkohlung“ bezeichnet (siehe Foto B). Dabei erhöht die im Substrat absorbierte Energie die lokale Temperatur des Materials um die Absorptionsstelle so weit, dass das Polymer thermisch abgebaut wird. Zwar kann dies in Gegenwart von Sauerstoff zum Verbrennen des Polymers führen, doch die begrenzte Sauerstoffzufuhr im Inneren des Substrats bewirkt eine Verkohlung des Polymers, sodass ein schwarzer oder dunkler Beschriftungskontrast entsteht. Die Dunkelheit bzw. Helligkeit der Beschriftung hängt von der absorbierten Energie sowie vom individuellen thermischen Abbauweg des Materials ab.

Laseradditive verbessern den Kontrast, der sich durch Änderung der Laser-Einstellparameter weiter verstärken lässt. Polymere besitzen von Natur aus die Eigenschaft, einen „dunklen“ oder „hellen“ Beschriftungskontrast zu erzeugen (siehe Foto B). Jede Polymer-Farbmittelsorte kann, auch innerhalb derselben Polymerfamilie, unterschiedliche Ergebnisse liefern. Farbmittelverbindungen mit geringen Anteilen an TiO2, Ruß und Mischmetalloxiden absorbieren ebenfalls Laserlicht und verbessern in manchen Fällen den Beschriftungskontrast.

Primärverarbeitung, Laseradditive und Farbabstimmung

Handelsübliche Laseradditive werden als Granulat und in Pulverform geliefert. Granulate können direkt mit dem Polymerharz gemischt werden, während Pulverformen zu Masterbatch verarbeitet werden.

Einige dieser Additive enthalten Mischungen aus antimondotiertem Zinnoxid und/oder Antimontrioxid, die der Opazität des natürlichen (ungefärbten) Substrats einen „gräulichen“ Farbton verleihen. Farbanpassungen erfolgen mit Pigmenten und Farbstoffen, um das endgültige Farbabstimmungsergebnis zu erreichen. Je nach Additiv und Polymer kann die Einsatzkonzentration (Gewichtsanteil im Endbauteil) zwischen 0,01 Prozent und 4,0 Prozent liegen. Sowohl Granulat als auch Pulver können als vorcompoundiertes Farbmaterial oder als Farbkonzentrat geliefert werden.

Bei der Dosierung des Laseradditivs und der Farbabstimmungschemie kommt es nicht selten vor, dass ein Fertigprodukt weniger Laseradditiv enthält als rechnerisch vorgesehen. Dieses Problem hängt fast immer mit einer ungleichmäßigen Verteilung während der Extrusion oder des Spritzgießens zusammen. Einfache Anpassungen an der Spritzgießmaschine, etwa eine Erhöhung von Staudruck und Schneckendrehzahl, beheben die meisten Probleme. Eine homogene Verteilung bzw. Dispergierung der Laseradditive im gesamten Bauteil ist entscheidend für eine optimale Beschriftungsleistung. Bei Extrusion, Spritzguss und Thermoformen liefert vorcompoundiertes, vorgefärbtes Material im Vergleich zu Farbkonzentrat eine bessere Gleichmäßigkeit. Manuelles Mischen sollte vermieden werden. Fließverhalten in der Form sowie Anschnittart und -lage sind wichtige Faktoren.

Höhere Beschriftungsgeschwindigkeit = Kosteneinsparung

Die Zeit, die zum Beschriften eines Bauteils erforderlich ist, hängt vom Polymersubstrat, von der Anzahl der gezeichneten Vektorlinien und davon ab, wie schnell der Laserstrahl bzw. der Galvanometer-Scankopf alle Linien zeichnet. Auch die Lasersoftware und die Art der Vektorfüllung – unidirektional, bidirektional oder serpentinenförmig – beeinflussen die Beschriftungszeit.

Neue unabhängige Studien belegen, dass durch den Einsatz von Laseradditiv-Formulierungen bei sehr niedrigen Konzentrationen, typischerweise 0,01 Prozent bis 2,0 Prozent, statistisch signifikant höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten erreichbar sind. Optimal formulierte Laseradditive sparen Kosten und erzielen häufig 25 Prozent und höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten gegenüber nicht optimierten Materialformulierungen. Dieser Gewinn an Geschwindigkeit und Qualität gleicht die zusätzlichen Materialkosten für das Additiv mehr als aus.

„Die Wissenschaft der Laseradditive“ (Abbildung 1 auf Seite 34) zeigt ein thermogravimetrisches Analysediagramm (TGA) für zwei Polyethylene hoher Dichte (HDPE), die in 28-mm-Getränkeverschlüssen ohne Dichtungseinlage verwendet werden. Die beiden Polymere weisen unterschiedliche thermische Abbautemperaturen auf – dem Prozess, der die Lasermarkierung erzeugt. Das Polymer mit der höheren Temperatur erfordert mehr Laserenergie, geringere Beschriftungsgeschwindigkeiten oder mehr absorbierendes Additiv, um dasselbe Beschriftungsbild zu erzielen.

Ohne Laseradditive ließen sich einige bekannte Industrieprodukte nicht wirtschaftlich herstellen. Eine interessante Anwendung ist die Laserbeschriftung „im laufenden Prozess“ für Gewinnspiel- und Aktionsmotive unter dem Deckel von Getränkeverschlüssen ohne Dichtungseinlage. Schlüsselfertige Systeme können individuelle Grafiken und alphanumerischen Text mit bis zu 1.500 – 2.000 Verschlüssen pro Minute beschriften. (Siehe Foto B.)

Lasertechnologie

Die Fortschritte in der Lasertechnologie waren entscheidend für die rasche Entwicklung der neuesten Generation von Laseradditiven. Das Aufkommen von Nanosekunden-Faserlasern ist einer der bedeutendsten Fortschritte beim Beschriften, Schweißen und Schneiden. Grundsätzlich unterscheiden sich Faserlaser von anderen Festkörper-Beschriftungslasern. Bei Faserlasern ist das aktive Medium, das den Laserstrahl erzeugt, in einem speziellen Glasfaserkabel verteilt. Im Gegensatz zu fasergeführten Lasern verläuft der gesamte Strahlweg bis zur Strahlführungsoptik innerhalb des Glasfaserkabels.

Faserlaser liefern eine überlegene Strahlqualität und Strahldichte. Das Maß für die Strahlqualität ist M². Je kleiner der M²-Wert, desto besser die Strahlqualität; M² = 1 entspricht dem idealen Gauß-Strahl. Ein Laser mit überlegener Strahlqualität lässt sich auf einen kleinen Spotdurchmesser fokussieren, was zu einer hohen Energiedichte führt. Faserlaser mit fester und variabler Pulsdauer, Pulsenergien von bis zu 1 mJ und hoher Leistungsdichte können viele historisch schwer beschriftbare Polymere markieren, darunter Nylons, Urethane und Acetale. Auch Vanadat-Laser besitzen einen kleinen M²-Wert bei kürzerer Pulsbreite als Faserlaser mit fester Pulsdauer und YAG-Laser. Die Pulsdauer beeinflusst das Maß an Wärme und Karbonisierung im Material. Eine kurze Pulsbreite kann bei empfindlichen Polymeranwendungen von Vorteil sein.

Nicht alle strahlgelenkten Faser-, Vanadat- und YAG-Laser sind gleich. Die Hardware- und Softwarekomponenten, die ein Laserhersteller in seine Systeme integriert, machen erhebliche Unterschiede bei Beschriftungskontrast, -qualität und -geschwindigkeit aus. Ein zentrales Merkmal ist die Leistungsdichte (Watt/cm²) an der Beschriftungsfläche (die sich von der reinen Ausgangsleistung des Lasers unterscheidet). Der Ausgangsmodus des Laserstrahls ist entscheidend für die Beschriftungsleistung. Diese Ausgangsmoden beeinflussen unter anderem die Strahldivergenz und die Leistungsverteilung über den Durchmesser des Laserstrahls.

Die Leistungsdichte hängt von der Größe des fokussierten Laserspots ab. Die Größe des fokussierten Laserspots ist bei gegebener Brennweite der Linse und gegebener Laserwellenlänge eine Funktion der Strahldivergenz, die durch die Laserkonfiguration, die Größe der modenselektierenden Blende und die Vergrößerung des Strahlaufweiters (Upcollimator) gesteuert wird.

Pulswiederholrate und Spitzenleistungsdichte sind entscheidende Parameter für die Ausbildung der Beschriftung sowie für optimalen Kontrast und optimale Geschwindigkeit. Die rechnerischen Kurven von Leistung über Pulswiederholrate verhalten sich umgekehrt proportional. 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 nur minimale Verdampfung, leitet aber mehr Wärme ein. Weitere Faktoren, die Beschriftungskontrast und -qualität beeinflussen, sind selbstverständlich die Strahlgeschwindigkeit und der Abstand der Vektorlinien.

Fazit

Die neueste Generation von Laseradditiven, die in Polymere eingearbeitet werden, liefert überlegenen Beschriftungskontrast, präzise Linienkanten und hohe Geschwindigkeit. Die tintenfreie Inline-Laserbeschriftung ersetzt nun Tiefdruck (Rotationsgravur) und Tampondruck. Diese Vorteile gleichen die zusätzlichen Materialkosten für das Additiv schnell aus. Eine optimale materialwissenschaftliche Formulierung für die Laserbeschriftung von Kunststoffen erfordert Fachwissen über Polymere, Sorteneigenschaften innerhalb der Polymerfamilien, Farbmittel, Pigmente und Farbstoffe hinsichtlich Löslichkeit, Partikelgrößen, Grenzkonzentrationen, Farbabstimmung und regulatorische Zulassungen (GRAS, FDA-Direkt-/Indirektkontakt mit Lebensmitteln). Materialwissenschaftliche Lösungen müssen kosteneffizient und einfach anzuwenden sein und dürfen die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Polymers nicht beeinträchtigen.

Danksagung

• Dr. Tony Hoult, IPG Photonics, „Laser Marking with Fiber Lasers“, Industrial Laser Solutions, September 2012.
• BASF Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, mit fachlichen Beiträgen von The Sabreen Group, Inc. Lasers&Optronics, Juli 1997.
• Bruce Mulholland (Hoechst Technical Polymers) und Scott Sabreen (The Sabreen Group, Inc.), „Enlightened Laser Marking“, Lasers&Optronics, Juli 1997.
• Daniel S. Burgess, Scott R. Sabreen und Carl Baasel Lasertechnik GmbH, Feature Article, „Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution“, Photonics Spectra, November 2001.

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident von The Sabreen Group, Inc., einem Ingenieurunternehmen, das auf sekundäre Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Laserbeschriftung, Oberflächenvorbehandlung, Kleben, Dekoration und Veredelung sowie Produktsicherheit. Sabreen entwickelt seit über 30 Jahren wegweisende Technologien und löst Fertigungsprobleme. Sie erreichen ihn unter 972.820.6777 oder über www.sabreen.com bzw. www.plasticslasermarking.com.

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