Faserlaser ermöglichen die Beschriftung fortschrittlicher Kunststoffe

Faserlaser ermöglichen die Beschriftung fortschrittlicher Kunststoffe

Bahnbrechende, FDA-zugelassene Additive, die während der Primärverarbeitung in Polymere eingemischt werden, optimieren die Laserbeschriftung von Kunststoffen. Hohe Geschwindigkeit, überlegener Kontrast und Kosteneinsparungen zählen zu den wesentlichen Vorteilen. Neuartige chemische Additive erzeugen tiefschwarzen, hellen und individuellen Farbkontrast, sowohl „on the fly“ als auch in nachgelagerten Prozessschritten. Die für erschwingliche Ytterbium-Faserlaser ausgelegte, tintenlose Inline-Laserbeschriftung ersetzt heute den herkömmlichen Rotationstiefdruck und Tampondruck.

Das Wichtigste in Kürze

• Die meisten Polymere absorbieren im nahen Infrarot nicht; erst Additive machen eine Beschriftung bei 1060–1080 nm überhaupt möglich.
• FDA- und EFSA-zugelassene Additive ohne Schwermetalle liefern hohen Kontrast, ohne Transparenz, spektrale Transmission oder physikalische Eigenschaften zu verändern.
• Additive verkürzen die Beschriftungszeit gegenüber nicht optimierten Formulierungen um 20 % oder mehr, was ihre Kosten schnell ausgleicht.
• MOPA schlägt Güteschaltung bei der Wiederholrate – bis zu 500 kHz gegenüber etwa 80 kHz – und kurze Pulse unter 40 ns eignen sich für empfindliche Polymere.
• Die On-the-fly-Geschwindigkeiten erreichen 2.000 Teile/min bei Verschlüssen und 500 ft/min und mehr bei linear extrudierten Produkten.

Häufig gestellte Fragen

Welcher Additivanteil ist erforderlich?

Je nach Additiv und Polymer zwischen 0,01 und 4,0 Gew.-% im fertigen Bauteil. Granulat wird direkt mit dem Harz gemischt; Pulver wird zuvor zu Masterbatch verarbeitet. Vorcompoundiertes Farbmaterial liefert bei Extrusion, Spritzguss und Thermoformen eine bessere Gleichmäßigkeit als Farbkonzentrat.

Beeinflussen Laseradditive Transparenz oder physikalische Eigenschaften?

Richtig formulierte Additive tun das nicht. Transparenz, spektrale Transmission und die physikalischen Grundeigenschaften des Polymers bleiben unverändert, sodass die Beschriftung klarer und teiltransparenter Polymere praktikabel ist, ohne das Produkt zu beeinträchtigen.

Wie schnell kann die On-the-fly-Laserbeschriftung tatsächlich laufen?

Die Beschriftungsgeschwindigkeiten für synthetische Weinkorken aus Polyolefin und Aktionsmotive unter der Kappe (Undercap) bei dichtungslosen Getränkeverschlüssen erreichen 2.000 Teile pro Minute für alphanumerischen Text und Grafiken. Die lineare Beschriftung von Text und Codes für die industrielle Bildverarbeitung erreicht 500 ft/min und mehr.

Worin unterscheiden sich gütegeschaltete und MOPA-Faserlaser?

Gütegeschaltete Faserlaser arbeiten typischerweise mit Pulsbreiten von 100–120 ns und sind durch die Güteschaltungstechnik selbst auf eine Wiederholrate von etwa 80 kHz begrenzt. Direkt modulierte MOPA-Laser arbeiten bei Nanosekunden-Pulsbreiten mit Wiederholraten bis zu 500 kHz, und höhere Wiederholraten bedeuten im Allgemeinen eine schnellere Beschriftung.

Sind diese Additive für Lebensmittelkontakt und Medizinprodukte zugelassen?

Bestimmte Additive haben die FDA-Zulassung für Lebensmittelkontakt und Lebensmittelverpackungen unter den Bedingungen A–H von 21 CFR 178.3297 (Colorants for Polymers), mit entsprechenden EU-Konformitätserklärungen. Durch eine weitere Qualifizierung des fertigen Bauteils kann die Biokompatibilität für Medizinprodukte erreicht werden. Die Zertifizierung gilt jeweils für Polymertyp, Schwellenwert des Anteils sowie direkten oder indirekten Kontakt.

Produktanwendungen

Klare, teiltransparente und opake, eingefärbte Polymere, darunter Nylons, Polyethylenterephthalat (PET), Polycarbonate, Polyolefine, Polyvinylchlorid (PVC), Styrolkunststoffe sowie thermoplastische Elastomere (TPUs) und thermoplastische Polyurethane (TPEs), werden mithilfe schwermetallfreier, von FDA und der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) zugelassener Additive speziell formuliert, um eine hohe Beschriftungsqualität mit starkem Kontrast zu erzielen (siehe Abbildung 1). Transparenz, spektrale Transmission und die physikalischen Grundeigenschaften des Polymers bleiben unbeeinflusst. Die berührungslose digitale Laserbeschriftung ersetzt teure Haftetiketten und chemische Tintendruckverfahren. Das Ergebnis ist eine kostengünstige, umweltfreundliche Anwendung mit überlegener Ästhetik.

Reaktionsmechanismus der Laserbeschriftung von Polymeren

Der Fortschritt bei der Formulierung chemischer Laseradditive für Nahinfrarot-Laser (NIR, Wellenlänge 1060–1080 nm) liegt in ihrer Kompatibilität mit Ytterbium-Faserlasern, Vanadat-Lasern und den früheren Nd:YAG-Lasern. Die meisten Polymere besitzen ohne chemische Additive keine NIR-Absorptionseigenschaften¹. Polymere, die sich mit Lasern beschriften lassen, sind solche, die Laserlicht absorbieren und Lichtenergie in Wärmeenergie umwandeln. Fachleute setzen Additive, Füllstoffe, Pigmente und Farbstoffe ein, um die Absorption der Laserenergie für lokale Farbänderungen zu verstärken. Je nach gewünschtem Beschriftungskontrast und gewünschter Funktionalität kommen sehr unterschiedliche Formulierungschemien und Laseroptik-/Aufbauparameter zum Einsatz.

Der häufigste Oberflächenreaktionsmechanismus wird als thermochemische „Karbonisierung“ oder „Verkohlung“ bezeichnet: Die im Substrat absorbierte Energie erhöht die lokale Temperatur des Materials rund um die Absorptionsstelle so stark, dass es zur thermischen Zersetzung des Polymers kommt. Wie dunkel oder hell die Beschriftung ausfällt, hängt von der absorbierten Energie sowie vom spezifischen thermischen Zersetzungsweg des Materials ab. Durch Optimierung des Laseraufbaus bleiben nur minimale Karbonisierungsrückstände an der Oberfläche.

Laseradditive

Nahinfrarot-Laseradditive verbessern den Kontrastgrad, der sich durch Änderung der Laserparameter weiter verstärken lässt. Polymere haben von Natur aus die Eigenschaft, einen „dunklen“ oder „hellen“ Beschriftungskontrast zu liefern. Manche Farbmittelverbindungen mit geringen Mengen Titandioxid (TiO2) und Carbon Black können ebenfalls Laserlicht absorbieren und in manchen Fällen den Beschriftungskontrast verbessern. Jede Polymertype, selbst innerhalb derselben Polymerfamilie, kann unterschiedliche Ergebnisse liefern. Additivformulierungen dürfen weder toxisch sein noch das Erscheinungsbild oder die physikalischen bzw. funktionalen Eigenschaften der Produkte beeinträchtigen.

Im Vergleich zu Tintendruckverfahren (Tampon-/Siebdruck und Tintenstrahldruck) sparen Laseradditive Kosten und können gegenüber nicht optimierten Materialien 20 % und höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten erreichen. Laseradditive werden als Pellet-Granulat und als Pulver geliefert. Granulate können direkt mit dem Polymerharz gemischt werden, während Pulver zu Masterbatch verarbeitet werden. Die meisten lassen sich leicht in Polymeren dispergieren. Je nach Additiv und Polymer liegt der Anteil (bezogen auf das fertige Bauteil) zwischen 0,01 und 4,0 Gew.-%.

Sowohl Granulat als auch Pulver können in vorcompoundiertes Farbmaterial oder Farbkonzentrat eingemischt werden. Die Wahl des einzusetzenden Additivs hängt von der Polymerzusammensetzung, der Substratfarbe, der gewünschten Kontrastfarbe der Beschriftung und den Zertifizierungsanforderungen der Endanwendung ab. Bei Extrusion, Spritzguss und Thermoformen liefert vorcompoundiertes Farbmaterial eine bessere Gleichmäßigkeit als Farbkonzentrat. Handmischen ist zu vermeiden. Fließverhalten in der Form sowie Angusstyp und -lage sind wichtige Faktoren. Eine homogene Verteilung/Dispergierung der Laseradditive im gesamten Bauteil ist entscheidend für eine optimale Beschriftungsleistung.

Einige Additive enthalten Mischungen aus antimondotiertem Zinnoxid und Antimontrioxid, die der natürlichen (ungefärbten) Substrattransparenz einen „gräulichen“ Farbstich verleihen können. Andere Additive können Aluminiumpartikel, Mischmetalloxide und proprietäre Verbindungen enthalten. Farbanpassungen erfolgen mit Pigmenten und Farbstoffen, um das endgültige Farbmuster zu erzielen. Im Handel erhältliche, spezifische Additive (die auch für das Laserschweißen verwendet werden) haben die FDA-Zulassung für Lebensmittelkontakt und Lebensmittelverpackungen unter den Bedingungen A–H von 21 CFR 178.3297 – Colorants for Polymers – erhalten. Für die Europäische Union gibt es ähnliche Konformitätserklärungen. Die Zertifizierungsbedingungen gelten jeweils für Polymertyp, Schwellenwert des Anteils sowie direkten oder indirekten Kontakt. Durch eine weitere Qualifizierung FDA-zugelassener Additive, die in ein „fertiges Bauteil“ eingemischt sind, kann die Biokompatibilität von Medizinprodukten erreicht werden².

Nanosekunden-Ytterbium-Faserlasertechnologie

Verbesserungen der Lasertechnologie waren maßgeblich für die rasche Entwicklung der neuesten Generation FDA-zugelassener Laseradditive. Das Aufkommen von Nanosekunden-Ytterbium-Faserlasern ist einer der bedeutendsten Fortschritte für Beschriften, Schweißen und Schneiden.

Faserlaser unterscheiden sich grundlegend von anderen diodengepumpten Festkörper-Beschriftungslasern (DPSS). Bei Faserlasern ist das aktive Medium, das den Laserstrahl erzeugt, in einem speziellen Glasfaserkabel verteilt. Im Gegensatz zu fasergeführten Lasern verläuft der gesamte Strahlweg innerhalb eines Glasfaserkabels bis hin zur Strahlführungsoptik. Diese Ganzfaserstruktur ist maßgeblich für die Zuverlässigkeit und Robustheit dieser Laser verantwortlich, was ihr rasches Wachstum erklärt.

Faserlaser liefern im Vergleich zu Nd:YAG-Lasern eine überlegene Strahlqualität (M2) und Helligkeit. Ein Laser mit überlegener Strahlqualität lässt sich auf einen kleinen Fokusdurchmesser fokussieren, was zu hoher Energiedichte führt. MOPA-Faserlaser (Master Oscillator Power Amplifier) mit fester und variabler Pulsdauer, einer Pulsenergie von bis zu 1 mJ und hoher Leistungsdichte können viele historisch schwierige Polymere beschriften (siehe Abbildung 2)³.

Vanadat-Laser besitzen ebenfalls einen kleinen M2-Wert mit kürzerer Pulsbreite als Faserlaser mit fester Pulsdauer und YAG-Laser. Die Pulsdauer beeinflusst das Ausmaß von Wärme und Karbonisierung im Material. Kurze Pulse, typischerweise <40 ns, ermöglichen bei der Bearbeitung empfindlicher Polymerwerkstoffe einen besser kontrollierten Energieeintrag. Diese Pulse haben weiterhin die Spitzenleistung, um Materialschwellen zu überwinden, aber eine geringere Pulsenergie, um lokale thermische Schäden zu verringern.

IPG Photonics, ein führender Entwickler und Hersteller von Hochleistungs-Faserlasern, bietet sowohl Laser mit fester Pulsdauer der YLP-Serie (mitunter als „Q-Switch“ bezeichnet) als auch Laser mit variabler Kurzpulsdauer der YLPN-Serie (MOPA) an. Gütegeschaltete Faserlaser mit typischerweise 100–120 ns Pulsbreite werden für einige Beschriftungsanwendungen eingesetzt, ihre Wiederholrate ist jedoch aufgrund der Einschränkungen der Güteschaltungstechnik auf etwa 80 kHz begrenzt. Direkt modulierte MOPA-Faserlaser (DM-MOPA) können bei Nanosekunden-Pulsbreiten mit Wiederholraten von bis zu 500 kHz arbeiten. Hohe Wiederholraten bedeuten im Allgemeinen eine höhere Beschriftungsgeschwindigkeit (in Verbindung mit anderen Laser-/Wellenleiterparametern).

Die Anwendungsentwicklung ist hochspezifisch, da es keine universelle Laserlösung gibt. MOPA-Laser mit kurzer Pulsdauer können die Leistungsfähigkeit empfindlicher, FDA-zugelassener chemischer Additive voll ausschöpfen. Die lokale räumliche und zeitliche Kontrolle des Wärmeeintrags des Lasers und der Rate des Wärmeeintrags ermöglicht maximale Leistung. Welcher Lasertyp integriert wird, richtet sich nach den Ausgangseigenschaften des Lasers in Wechselwirkung mit dem optimierten Polymermaterial. ABBILDUNG 3 zeigt die zeitlichen Pulsformen von Ytterbium-Faserlasern mit fester und variabler (MOPA) Pulslänge [3].

Beim Einrichten eines Faserlasers mit fester Pulslänge für die Beschriftung müssen zwei Eingangsgrößen eingestellt werden:

• Pulswiederholrate (oft als Pulsfrequenz bezeichnet) und
• Pumpleistung in Prozent – 100 % entspricht der maximal möglichen elektrischen Eingangsleistung der Pumpdioden.

Beim Einrichten eines MOPA-Faserlasers mit variabler Kurzpulsdauer für die Beschriftung werden drei Eingangsgrößen eingestellt:

• Pulsdauer (oft als Pulslänge bezeichnet);
• Pulswiederholrate (Pulsfrequenz) und
• Pumpleistung in Prozent, wie oben erläutert.

In beiden Fällen steuert die jeweilige Kombination der Parametereingaben die Ausgangseigenschaften des Laserstrahls, nämlich die Pulsenergie, die Spitzenleistung (die höchste momentane Spitze der Pulsenergie, Joule/Pulsdauer) und die mittlere Leistung (mittlere Leistung in Watt = Pulsenergie in Joule × Pulswiederholrate in Hertz).

Laserbeschriftung „On the fly“

Die „On-the-fly“-Laserbeschriftung ist eine der am stärksten spezialisierten Anwendungen für geformte und extrudierte Produkte wie Drähte/Kabel, Schläuche und Rohre. Die Beschriftungsgeschwindigkeiten für synthetische Weinkorken aus Polyolefin und Aktionsmotive unter der Kappe (Undercap) bei dichtungslosen Getränkeverschlüssen erreichen 2000 Teile/min für alphanumerischen Text und Grafiken (siehe Abbildung 4). Bei linearen Beschriftungsgeschwindigkeiten für Text und Codes der industriellen Bildverarbeitung sind 500 ft/min und mehr möglich; hier ersetzt die tintenlose Laserbeschriftung heute Rotationstiefdruck und Tampondruck.

Die Beschriftungsgeschwindigkeit hängt von vielen Variablen ab, darunter Polymertyp, Substratfarbe, Laseradditivtyp und -anteil, Kabelgröße (Gewicht), Lasertyp und -leistung, Software, Anzahl der alphanumerischen Zeichen, Texthöhe, Länge der Textzeile, Zeichenabstand, Barcode/Data-Matrix, Logos/Grafiken, Einzelstrich- oder gefüllte TrueType-Schriften, Füllrichtung sowie fortlaufender oder wiederholter Text. Der Einsatz eines richtig formulierten Additiv-Farbmittels stellt sicher, dass die „Leistungsdichte“ an der Beschriftungsoberfläche nicht der begrenzende Faktor ist. Vielmehr arbeiten dann die strahlablenkenden Galvanometer mit maximaler Geschwindigkeit.

Wegen der Komplexität der Faktoren, die die Beschriftungsleistung in der Serienfertigung on the fly beeinflussen, muss jede Anwendung genau untersucht werden. Es gibt wenige, wenn überhaupt, Regeln, die sich extrapolieren lassen. Für allgemeine Zwecke kann jedoch das folgende Beispiel mit Nylon betrachtet werden: ein 50-W-Faserlaser, ein Planfeldobjektiv mit 254 mm, 100 alphanumerische Zeichen, 2 mm Höhe, eine sich wiederholende Textzeile mit einer Länge von 14,68 in. und eine Beschriftungszeit von 0,232 s. Die berechnete Geschwindigkeit beträgt etwa 315 lin. ft/min.

Lasersysteme und Ausrüstung

Die Hardware- und Softwarekomponenten, die ein Laserhersteller in seine Systeme integriert, machen einen erheblichen Unterschied bei Beschriftungskontrast, -qualität und -geschwindigkeit. Ein wesentliches Merkmal ist die Leistungsdichte (W/cm2) an der Beschriftungsoberfläche (die sich von der reinen Ausgangsleistung des Lasers unterscheidet). Der Ausgangsmodus des Laserstrahls ist entscheidend für die Beschriftungsleistung. Diese Ausgangsmodi hängen mit Faktoren wie der Strahldivergenz und der Leistungsverteilung über den Durchmesser des Laserstrahls zusammen.

Die Leistungsdichte ist eine Funktion des fokussierten Laserspotdurchmessers. Der fokussierte Laserspotdurchmesser hängt bei jeder Brennweite des Objektivs und jeder Laserwellenlänge von der Strahldivergenz ab, die durch die Laserkonfiguration, die Größe der modenselektierenden Blende und die Vergrößerung des Upcollimators (Strahlaufweiter) gesteuert wird. Pulswiederholrate und Spitzenleistungsdichte sind entscheidende Parameter bei der Bildung der Beschriftung und für optimalen Kontrast und optimale Geschwindigkeit. Die arithmetischen Kurven von Leistung über Pulswiederholrate verhalten sich umgekehrt proportional. Eine hohe Spitzenleistung bei niedriger Frequenz erhöht die Oberflächentemperatur schnell und verdampft das Material, wobei nur minimal Wärme in das Substrat geleitet wird. Mit steigender Pulswiederholrate erzeugt eine geringere Spitzenleistung nur minimale Verdampfung, leitet aber mehr Wärme ein. Weitere Einflussfaktoren auf Beschriftungskontrast und -qualität sind selbstverständlich die Strahlgeschwindigkeit und der Abstand der Vektorlinien.

Fazit

Bahnbrechende, FDA-zugelassene Laseradditive, die in Polymere eingebracht werden, liefern überlegenen Beschriftungskontrast, Kantenschärfe der Linien und Geschwindigkeit. Produkte mit lasersensibilisierenden Additiven erreichen 20 % und höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten. Die Vorteile gleichen die zusätzlichen Materialkosten für das Additiv rasch aus. Fortschritte bei der erschwinglichen Nanosekunden-Ytterbium-Faserlasertechnologie waren maßgeblich. Die Inline-Laserbeschriftung „on the fly“ ersetzt heute Rotationstiefdruck und Tampondruck. Eine optimierte materialwissenschaftliche Chemie für die Laserbeschriftung von Kunststoffen erfordert Fachwissen über Polymere, Farbmittel, Pigmente und Farbstoffe in Bezug auf Löslichkeit, Partikelgrößen, Grenzwerte der Schwellenkonzentration, Farbabgleich und behördliche Zertifizierungen (GRAS, FDA Direct/Indirect Food Contact). Nicht alle Faserlaser sind gleich.

Danksagung und Literatur

Der Autor dankt dem Mark-it Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002 der BASF Corporation, mit technischen Beiträgen von The Sabreen Group; Bruce Mulholland von Hoechst Technical Polymers und The Sabreen Group für „Enlightened laser marking“, Lasers & Optronics (Jul. 1997); sowie Daniel S. Burgess von Baasel Lasertechnik GmbH und The Sabreen Group für „Laser marking: A clean economical packaging solution“, Photonics Spectra (Nov. 2001).

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident der The Sabreen Group, Inc., eines Ingenieurberatungsunternehmens, das auf sekundäre Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Oberflächenvorbehandlung, Adhäsionsverbindung, Tintenstrahldruck, Laserbeschriftung, 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 über www.sabreen.com.

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