Laseradditive mit Doppelfunktion ermöglichen Beschriftung und Schweißen von Polymeren

Laseradditive mit Doppelfunktion ermöglichen Beschriftung und Schweißen von Polymeren

Laseradditive mit Doppelfunktion, die dem Polymer bei der Primärverarbeitung beigemischt werden, ermöglichen die Beschriftung und das Durchstrahlschweißen von transparenten und opaken Polymeren. Neuartige chemische Additive, darunter FDA- und medizintechnikkonforme Typen, erzielen hochfeste, hermetisch dichte Schweißnähte und dauerhaft opake Beschriftungskontraste. Laserbeschriftung und Laserschweißen sind berührungslose, gut steuerbare und umweltfreundliche Verfahren. Ausgelegt für wirtschaftliche Hochgeschwindigkeitslaser und -anlagen, werden Beschriftung und Schweißen von Polymeren den Anforderungen heutiger komplexer Anwendungen gerecht.

Wichtigste Erkenntnisse

• Eine Verbindung, zwei Verfahren. Additive mit Doppelfunktion unterstützen Beschriftung und Laserdurchstrahlschweißen im selben Material.
• Das TTLW läuft in drei Stufen ab – Erwärmen, Verschmelzen und Verschweißen – mit typischen Schweißzeiten von einer bis acht Sekunden.
• Die beiden Fügepartner benötigen gegensätzliche optische Eigenschaften: Das obere Teil muss die Wellenlänge durchlassen, das untere sie in einer dünnen Schicht absorbieren.
• Eine mittlere Absorption ist der ungünstigste Fall: Sie erwärmt die gesamte Materialdicke und macht ein Teil für keine der beiden Seiten der Fügeverbindung geeignet.
• Das Laserschweißen liefert hermetische Dichtungen ohne Grat, ohne Partikel, mit minimaler Wärmeeinflusszone und ohne Beschädigung der Bauteiloberfläche.

Häufig gestellte Fragen

Was bedeutet „Durchstrahlen“ (Through Transmission) beim Laserschweißen?

Der Laser durchdringt das laserdurchlässige Oberteil und wird an der Oberfläche des laserabsorbierenden Unterteils absorbiert. Die Teile werden vormontiert und so gespannt, dass die Fügeflächen in engem Kontakt stehen; an dieser Grenzfläche bildet sich die Schweißnaht.

Welche Stufen hat das Laserdurchstrahlschweißen?

Drei. In der Erwärmungsstufe erwärmt der Laser das absorbierende Polymer an der Grenzfläche; es dehnt sich aus und erhöht den Schweißdruck. In der Verschmelzungsstufe steigert eine weitere Ausdehnung den Druck, und es findet bereits eine geringe Verschweißung statt. In der Schweißstufe fällt genügend Schmelze zusammen, um eine echte Schweißnaht zu bilden, typischerweise in der Größenordnung von 0,13 mm.

Lassen sich glasgefüllte Materialien laserschweißen?

Gefüllte Materialien wurden mit bis zu 50 % Glas geschweißt, jedoch nicht für hermetische Dichtungen. Füllstoffe, Additive und Pigmente verändern allesamt das Verhalten eines Polymers gegenüber dem Laserstrahl; daher ist die Materialeignung beim Laserschweißen empfindlicher als bei jedem anderen Fügeverfahren.

Warum Laserschweißen statt Ultraschall- oder Heizelementschweißen?

Es arbeitet berührungslos mit leichter Spannung unter einer glatten Glasplatte, sodass nichts das Bauteil beschädigt und keine Vibrationen übertragen werden. Die Naht liegt unterhalb der Oberfläche und ist nahezu unsichtbar, die Wärmeeinflusszone ist sehr klein, sodass empfindliche, vorab eingelegte Komponenten unbeschadet bleiben, es entsteht kein Grat, der entfernt werden müsste, und hermetisch gasdichte Nähte sind erreichbar.

Lassen sich unterschiedliche Kunststoffe miteinander laserschweißen?

Ja, sofern sie die erforderlichen optischen und thermischen Kriterien erfüllen. Jedes Polymer lässt die drei wichtigsten Schweißwellenlängen unterschiedlich durch; deshalb müssen beide Materialien gemeinsam und nicht einzeln bewertet werden.

Produktanwendungen

Transparente, transluzente und opake eingefärbte Polymere, darunter Nylons, Polyethylenterephthalat (PET), Polycarbonate, Polyolefine, Polyvinylchlorid (PVC), Styrol-Kunststoffe sowie thermoplastische Elastomere (TPE) und thermoplastische Polyurethane (TPU), werden mit schwermetallfreien, von FDA und Europäischer Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) zugelassenen Additiven gezielt formuliert, um eine hohe Beschriftungsqualität mit hohem Kontrast zu erreichen, auch bei laserverschweißten Produkten (Abbildung 1). Transparenz, spektrale Durchlässigkeit und physikalische Grundeigenschaften des Polymers bleiben unbeeinflusst. Die berührungslose digitale Laserbeschriftung ersetzt teure Klebeetiketten und tintenchemische Druckverfahren. Das Ergebnis ist kostengünstig, umweltfreundlich und optisch überlegen.

Oberflächenreaktionsmechanismen bei der Laserbeschriftung

Die Fortschritte bei der Formulierung chemischer Laseradditive für Nahinfrarot-Laser (NIR, Wellenlänge 1.060–1.080 nm) umfassen deren Kompatibilität mit Ytterbium-Faserlasern, Vanadat- und Nd:YAG-Lasern. Die meisten Polymere besitzen ohne chemische Additive keine NIR-Absorption. Mit Lasern beschriftbar sind Polymere, die Laserlicht absorbieren und die Lichtenergie in Wärmeenergie umwandeln. Additive, Füllstoffe, Pigmente und Farbstoffe verstärken die Absorption der Laserenergie für lokal begrenzte Farbänderungen. Je nach gewünschtem Beschriftungskontrast und gewünschter Funktionalität werden sehr unterschiedliche Formulierungschemien sowie Laseroptik- und Aufbauparameter eingestellt.

Zwei häufige Oberflächenreaktionsmechanismen zeigt Abbildung 1. Zum einen kann eine thermochemische „Karbonisierung“ oder „Verkohlung“ auftreten: Die im Substrat absorbierte Energie erhöht die lokale Temperatur des Materials rund um die Absorptionsstelle so stark, dass das Polymer thermisch abgebaut wird. Ob die Markierung dunkel oder hell ausfällt, hängt von der absorbierten Energie und vom materialspezifischen thermischen Abbauweg ab. Durch Optimierung des Laseraufbaus bleiben nur minimale Karbonisierungsrückstände an der Oberfläche.

Eine zweite Oberflächenreaktion, das „Schäumen“, ist eine chemische Veränderung durch Additive, die beim Abbau Dampf freisetzen und das Polymer aufschäumen. Beim Schäumen wird die Laserenergie von einem Additiv absorbiert, das sich in unmittelbarer Nähe des Treibmittels befindet. Die Wärme des Absorbers lässt das Treibmittel zerfallen und setzt Dampf frei. Durch eine enge Kontrolle der Laserparameter lassen sich hochwertige, dauerhafte, helle „weiße“ Markierungen auf dunklen Substraten erzeugen.

Bei einer dritten Reaktion (nicht dargestellt) wird Laserenergie genutzt, um einen Farbstoff in einer Farbstoffmischung zu erwärmen bzw. abzubauen, was einen Farbumschlag bewirkt. Ein Beispiel ist eine Mischung aus Ruß und einem stabilen anorganischen Farbmittel: Beim Erwärmen wird der Ruß entfernt, und das anorganische Farbmittel bleibt zurück. Solche Mischfarbsysteme hängen von der Stabilität der jeweiligen Farbmittel ab, und nicht jeder Farbumschlag ist möglich. Ruß-Formulierungen sind beim Laserschweißen unverzichtbar.

Laseradditiv-Chemie für Beschriftung und Schweißen

Nahinfrarot-Laseradditive verbessern den Kontrastgrad, der sich durch Ändern der Laserparameter weiter steigern lässt. Polymere haben von Natur aus die Eigenschaft, einen „dunklen“ oder „hellen“ Beschriftungskontrast zu liefern. Einige Farbmittel mit geringen Anteilen an Titandioxid (TiO₂) und Ruß absorbieren ebenfalls Laserlicht und können den Beschriftungskontrast verbessern. Jede Polymertype, selbst innerhalb derselben Polymerfamilie, kann andere Ergebnisse liefern. Additivformulierungen dürfen weder toxisch sein noch das Aussehen oder die physikalischen bzw. funktionalen Eigenschaften der Produkte beeinträchtigen.

Im Vergleich zu Tintendruckverfahren (Tampon-/Siebdruck und Tintenstrahl) sparen Laseradditive Kosten und können gegenüber nicht optimierten Materialien 20 Prozent und höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten erreichen. Laseradditive werden als Pellet-Granulat und als Pulver geliefert. Granulate lassen sich direkt mit dem Polymerharz mischen, Pulver werden zu Masterbatch verarbeitet. Die meisten lassen sich in Polymeren leicht dispergieren. Je nach Additiv und Polymer liegt die Einsatzkonzentration (im fertigen Teil, bezogen auf das Gewicht) zwischen 0,01 und 4,0 Prozent.

Sowohl Granulat als auch Pulver können in vorcompoundiertes Farbmaterial oder Farbkonzentrat eingemischt werden. Die Wahl des Additivs richtet sich nach der Polymerzusammensetzung, der Substratfarbe, der gewünschten Kontrastfarbe der Beschriftung und den Zertifizierungsanforderungen der Endanwendung. Bei Extrusion, Spritzgießen und Thermoformen liefern vorcompoundierte Farbmaterialien eine bessere Gleichmäßigkeit als Farbkonzentrate. Von Handmischen ist abzuraten. Werkzeugfüllung sowie Angusstyp und -lage sind wichtige Einflussfaktoren. Eine homogene Verteilung/Dispersion der Laseradditive im gesamten Teil ist entscheidend für eine optimale Beschriftungsleistung.

Einige Additive enthalten Mischungen aus antimondotiertem Zinnoxid und Antimontrioxid, die der Eigenopazität des natürlichen (ungefärbten) Substrats einen „gräulichen“ Stich verleihen können. Andere Additive können Aluminiumpartikel, Mischmetalloxide und herstellerspezifische Verbindungen enthalten. Farbanpassungen erfolgen mit Pigmenten und Farbstoffen, um den endgültigen Farbton zu treffen. In der handelsüblichen Lieferform haben bestimmte Additive (die auch für das Laserschweißen verwendet werden) die FDA-Zulassung für den Lebensmittelkontakt und für Lebensmittelverpackungen unter den Bedingungen A–H von 21 CFR 178.3297 (Colorants for Polymers) erhalten. Für die Europäische Union gibt es entsprechende Konformitätserklärungen. Die Zertifizierungsbedingungen sind spezifisch für Polymertyp, Grenzwert der Einsatzkonzentration sowie direkten oder indirekten Kontakt. Eine weitere Qualifizierung FDA-zugelassener Additive, die in ein „Endteil“ eingemischt sind, kann die Biokompatibilität von Medizinprodukten erreichen.

Bei der Dosierung des Laseradditivs und der Farbanpassungschemie kommt es nicht selten vor, dass ein Fertigprodukt weniger Laseradditiv enthält als rechnerisch vorgesehen. Dieses Problem hängt fast immer mit einer ungleichmäßigen Verteilung bei Extrusion oder Formgebung zusammen. Einfache Anpassungen an der Spritzgießmaschine, etwa ein höherer Staudruck und eine höhere Schneckendrehzahl, beheben die meisten Probleme. Eine homogene Verteilung/Dispersion der Laseradditive im gesamten Teil ist entscheidend für eine optimale Beschriftungsleistung. Bei Extrusion, Spritzgießen und Thermoformen liefern vorcompoundierte Farbmaterialien eine bessere Gleichmäßigkeit als Farbkonzentrate. Von Handmischen ist abzuraten. Werkzeugfüllung sowie Angusstyp und -lage sind wichtige Einflussfaktoren.

Grundlagen des Laserdurchstrahlschweißens

Der Begriff „Durchstrahlen“ (Through Transmission) rührt daher, dass der Laser das laserdurchlässige Oberteil durchdringt und die Oberfläche des laserabsorbierenden Unterteils erreicht, wie in Abbildung 2 dargestellt. Beim Laserdurchstrahlschweißen (Through Transmission Laser Welding, TTLW) von Kunststoffen sind drei Stufen beteiligt. Beim TTLW werden die Teile vormontiert und zusammengespannt, damit ihre Fügeflächen in engem Kontakt stehen. In diesem Beitrag kommen Hochleistungs-Diodenlaser (λ = 800–1.000 nm) und Festkörperlaser (Ytterbium-Faserlaser und Nd:YAG-Laser, λ = 1.060–1.080 nm) zum Einsatz.

In der Erwärmungsstufe erhitzt die Laserenergie das laserabsorbierende Polymer an der Grenzfläche; das Teil dehnt sich aus, wodurch der Schweißdruck steigt. Im Fokus des Strahls ist die Laserleistung am höchsten, und das Teil beginnt an dieser Stelle zu schmelzen, es entsteht eine Schmelzzone. Damit beginnt die zweite Stufe, die Verschmelzungsstufe. Die Teile dehnen sich weiter aus, was mit einem entsprechenden Druckanstieg einhergeht. Zu diesem Zeitpunkt hat bereits eine geringe Verschweißung stattgefunden.

Die Schweißstufe ist die letzte Stufe. Es entsteht genügend Schmelze für eine echte Schweißnaht. Das geschmolzene Material fällt zusammen, ähnlich wie beim Heizelement- oder Schmelzschweißen. Bei den meisten Anwendungen liegt dies in der Größenordnung von 0,13 mm (0,005 in). Typische Schweißzeiten liegen bei den meisten Anwendungen in der Größenordnung von einer bis acht Sekunden, größere Teile können länger dauern. Es gibt vier wichtige TTLW-Laserschweißverfahren: Konturschweißen, Maskenschweißen, Simultanschweißen und Quasi-Simultanschweißen.

Die beiden zu verschweißenden Teile müssen bei einer gegebenen Schweißwellenlänge unterschiedliche optische Absorptionseigenschaften haben. Das obere, laserdurchlässige Teil muss möglichst viel der Wellenlänge durchlassen, während das untere, laserabsorbierende Teil möglichst viel in einer dünnen Schicht absorbieren muss. Das ergibt die energieeffizienteste Kombination, denn an der Grenzfläche wird viel Energie absorbiert, und sie könnte das obere Teil abbauen, bevor das untere weich genug zum Schweißen ist. Übermäßige Reflexion erhöht zudem die zum Schweißen benötigte Energiemenge.

Die Materialeignung ist beim Laserschweißen empfindlicher als bei jedem anderen Fügeverfahren. Theoretisch lassen sich mit dem Laserschweißen alle Thermoplaste schweißen, die für den Laserstrahl transparent sind. Die Fähigkeit jedes Polymers, Licht von Lasern der drei beim Laserschweißen verwendeten Hauptwellenlängen durchzulassen, ist jedoch unterschiedlich. Außerdem wird das Verhalten eines Polymers gegenüber Laserstrahlen durch Füllstoffe, Additive und Pigmente verändert.

Materialien mit hoher Absorption sind ideal für das Unterteil beim TTLW, weil sie den Großteil der Energie an der Schweißgrenzfläche absorbieren und eine dünne, erwärmte Oberflächenschicht erzeugen, die sich hervorragend zum Laserschweißen eignet. Materialien mit mittlerer Absorption können ein Problem darstellen, weil sie die Laserenergie über die Materialdicke absorbieren und dadurch die gesamte Materialdicke erwärmt wird. Diese Materialien lassen nur sehr wenig Energie durch; daher sind sie als Oberteil beim TTLW ungeeignet. Zudem absorbieren sie an ihrer Oberkante nicht viel Energie und eignen sich deshalb auch schlecht als Unterteil. Gefüllte Materialien wurden mit bis zu 50 Prozent Glas geschweißt, jedoch nicht für hermetische Dichtungen.

Zu den wichtigsten Vorteilen des TTLW zählen:

• Berührungsloses Schweißen. Beim Laserschweißen werden die Teile mit einer glatten Glasplatte und einer leichten Spannkraft von 100 lbs (ca. 445 N) oder weniger gehalten, ohne dass das Schweißwerkzeug das Bauteil berührt. Daher wird die Oberfläche der geschweißten Teile nicht beschädigt, und es ist kein Schweißdruck erforderlich, der empfindliche Teile schädigen könnte.
• Schweißen unter der Oberfläche. Die Naht entsteht an der Grenzfläche zwischen den beiden Teilen. Bei transparenten Teilen ist die Naht nahezu unsichtbar, bei opaken Teilen vollständig unsichtbar. Sie kann direkt unter der Oberfläche oder tief im Bauteil liegen.
• Präzises Schweißen. Größe und Lage der Laserschweißnaht lassen sich sehr genau festlegen, und es werden keine Vibrationen auf das Schweißteil übertragen. Bei Verfahrensvarianten, die eine Relativbewegung zwischen Laser und Schweißteilen erfordern, bewegt sich der Laser. Das Laserschweißen ist somit das präziseste aller Schweißverfahren.
• Minimale Wärmeeinflusszone. Der Schweißpunkt ist sehr klein, und die Wärmeeinflusszone bleibt eng begrenzt. Dadurch lässt sich sehr nah an anderen Komponenten schweißen, ohne sie zu beeinträchtigen, sodass sich Baugruppen mit zuvor eingesetzten empfindlichen und fragilen Teilen schweißen lassen. Zudem sind Verzug und wärmebedingte Schädigung extrem gering, und Eigenspannungen werden reduziert.
• Schweißen unterschiedlicher Kunststoffe. Unterschiedliche Kunststoffe, die die erforderlichen Kriterien erfüllen, lassen sich miteinander verschweißen.
• Kein Grat. Beim Laserschweißen ist die Naht vollständig eingeschlossen, und es entsteht kein Grat, der abgetrennt werden müsste. Es gibt keine losen Partikel.
• Hermetische Dichtungen. Das Laserschweißen kann eine hermetisch verschlossene, gasdichte Naht erzeugen.
• Energieeffizienz. Im Vergleich zu anderen Schweißverfahren ist das Laserschweißen sehr energieeffizient. Das bedeutet auch, dass keine überschüssige Wärme entsteht, die aus dem Arbeitsbereich abgeführt werden müsste.

Fazit

In Polymere eingearbeitete Laseradditive mit Doppelfunktion liefern überlegenen Beschriftungskontrast, überlegene Kantenschärfe der Linien und höhere Geschwindigkeit. Diese Additive optimieren das Laserschweißen gleichartiger und unterschiedlicher Thermoplaste. Entscheidend waren dabei die Fortschritte bei wirtschaftlicher Faserlaser-Technologie. Diese Vorteile gleichen die zusätzlichen Materialkosten für das Additiv rasch aus. Eine optimierte werkstoffwissenschaftliche Chemie für Laserbeschriftung und Schweißen erfordert Fachwissen zu Polymeren, Farbmitteln, Pigmenten und Farbstoffen in Bezug auf Löslichkeit, Partikelgrößen, Schwellenkonzentrationen, Farbanpassung und regulatorische Zertifizierungen (GRAS, FDA Direct/Indirect Food Contact). Laserbeschriftung und TTLW von Polymeren werden den Anforderungen heutiger Anwendungen gerecht.

Literatur

• Scott R. Sabreen, „FDA-Approved Additives Boost Inline Laser Marking“, Plastics Decorating Magazine, April/Mai 2015
• Jordan Rotheiser, Fachberater der Sabreen Group Inc. Schweiß-Auszüge aus Joining of Plastics, Handbook for Designers and Engineers, Third Edition, Jordan Rotheiser, Carl Hanser Verlag, München, 2009

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

---