Faserlaser-Beschriftung für Produktsicherheit, Identifikation und Fälschungsschutz

Faserlaser-Beschriftung für Produktsicherheit, Identifikation und Fälschungsschutz

Die Laserbeschriftung bietet bei der Direktbeschriftung von Kunststoffprodukten Vorteile gegenüber In-Mold-Etikettierung und tintenbasiertem Druck. Mit dem Aufkommen der Ytterbium-Faserlaser hebt sich der Laser zusätzlich als wichtiges Verfahren hervor, um Sicherheits- und Fälschungsschutzmaßnahmen zu integrieren.

Die Anforderungen der industriellen Fertigung an dauerhafte Direktbeschriftung von Bauteilen mit maschinenlesbaren Codes wachsen rasant. Drei bekannte Codetypen sind QR, Data Matrix und Barcode. Die Direktbeschriftung ermöglicht es, ein einzelnes, eindeutig gekennzeichnetes Produkt von der Fertigung bis zum Ende seiner Nutzungsdauer zu verfolgen. Die Nachfrage nach maschinenlesbaren Codes wird durch die steigenden Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit von Bauteilen und die eindeutige Produktkennzeichnung (Unique Identification, UID) getrieben. Seit den Anschlägen vom 11. September setzen Hersteller Strategien um, die Rückverfolgbarkeit herstellen und Produktmanipulation sowie Produktfälschung verhindern sollen. Das US-Verteidigungsministerium (DoD) hat mit MIL-STD-130 die Standardpraxis für militärisches Eigentum entwickelt. Über das DoD hinaus übernehmen auch Hersteller kommerzieller Industrieprodukte – darunter Automobilindustrie, Pharma, Elektronik, Verpackung und Konsumgüter – vergleichbare Standards mit Nachdruck.

Wichtigste Erkenntnisse

• Data-Matrix-Codes sind 1/10 bis 1/100 so groß wie ein Barcode mit denselben Daten – entscheidend, wenn die Fläche knapp ist.
• Etwa die Hälfte jedes Codes ist konstruktionsbedingt redundant, sodass mit einer Wahrscheinlichkeit von 50/50 eine Zellbeschädigung die Lesbarkeit nicht beeinträchtigt.
• MIL-STD-130 hat den Standard gesetzt, und Automobilindustrie, Pharma, Elektronik und Verpackung haben gleichwertige Vorgaben übernommen.
• Rund 25 % der maschinenlesbaren Codes werden wegen mangelhafter Auflösungsqualität falsch gelesen – überwiegend eine Einschränkung des Tintenstrahldrucks.
• Ein 2D-Code von 1/6 Zoll Kantenlänge wird auf Kraftstoffkomponenten im Motorraum in weniger als 150 Millisekunden beschriftet.

Häufig gestellte Fragen

Warum für maschinenlesbare Codes die Laserbeschriftung statt Tintenstrahl verwenden?

Wegen Auflösung und Dauerhaftigkeit. Nicht dauerhafter Tintenstrahldruck erreicht nicht die feine Kantenauflösung, die die industrielle Bildverarbeitung benötigt, insbesondere bei kleinen Bauteilen, und Fachleute gehen davon aus, dass rund 25 % der maschinenlesbaren Codes wegen mangelhafter Auflösungsqualität falsch gelesen werden. Zudem haften die meisten Tinten auf Kunststoffen mit niedriger Oberflächenenergie selbst mit Vorbehandlung nicht ausreichend.

Welchen Vorteil hat Data Matrix gegenüber einem Barcode?

Größe und Robustheit. Bei gleichem Dateninhalt ist ein Data-Matrix-Code 1/10 bis 1/100 so groß wie ein Barcode. Die Daten sind über das gesamte Symbol verteilt, sodass der Code etwa zur Hälfte aus schwarzen und zur Hälfte aus weißen Zellen besteht. Damit stehen die Chancen etwa gleich, dass eine Zellbeschädigung die Lesbarkeit nicht beeinträchtigt, und die integrierte Fehlerkorrektur hilft, Symbolschäden auszugleichen.

Lassen sich Data-Matrix-Codes mit einem Barcode-Scanner lesen?

Nein. In der Regel gibt es kein Abtastmuster, das das gesamte Symbol erfassen könnte, daher muss Data Matrix mit einer Kamera und nicht mit einem Laserscanner erfasst werden.

Was hat die Verbreitung der Direktbeschriftung vorangetrieben?

Die Anforderungen an Rückverfolgbarkeit und eindeutige Kennzeichnung. Nach dem 11. September begannen Hersteller, Strategien zur Herstellung von Rückverfolgbarkeit sowie zur Verhinderung von Manipulation und Fälschung umzusetzen, und das US-Verteidigungsministerium entwickelte MIL-STD-130 als Standardpraxis für militärisches Eigentum. Kommerzielle Branchen übernahmen vergleichbare Standards.

Welche Daten kann ein kleiner 2D-Code tatsächlich enthalten?

Auf Kraftstoffkomponenten im Motorraum trägt ein in weniger als 150 Millisekunden beschrifteter Code von 1/6 Zoll Kantenlänge die vollständige Rückverfolgbarkeit des Bauteils – Harzcharge, Spritzgießmaschine, Datum, Schicht und Uhrzeit sowie die Ergebnisse der Dichtheitsprüfung der Baugruppe.

Digitale vs. analoge Beschriftungs-/Drucktechnologien

Die Direktbeschriftung mit eindeutigen Kennzeichnungsinformationen erfordert „digitale“ Technologien wie Laserbeschriftung, Tintenstrahldruck und Nadelprägen. Beachten Sie, dass In-Mold- und Heißprägeetikettierung zweistufige Verfahren sind, die deutlich teurer sind als die Laserbeschriftung und in diesem Beitrag nicht behandelt werden. Bei vielen dreidimensionalen Kunststoffprodukten ist der Laser das bevorzugte Verfahren, weil er kontrastreiche, dauerhafte Beschriftungen erzeugt und weder teure Verbrauchstinten bzw. Lösungsmittel noch eine Nachhärtung erfordert. Laser können die kleinsten maschinenlesbaren Codes präzise beschriften. Das ist wichtig für die Mikrobeschriftung und wenn auf einem zu beschriftenden Bauteil oder einer Komponente nur wenig Fläche für Alphanumerik, Logos oder Schaltbilder zur Verfügung steht. Robuste Six-Sigma-Prozesse verlangen, dass alle Produkte unabhängig von Größe und Komplexität der eigentlichen Beschriftung zu 100 Prozent visuell oder maschinell lesbar sind.

Ein hervorragendes Anwendungsbeispiel sind 2D-Data-Matrix-Codes, die per Laser auf Kraftstoffkomponenten und Baugruppen im Motorraum von Fahrzeugen unter rauen Umgebungsbedingungen aufgebracht werden, typischerweise aus Acetalen, Nylons und Polyestern (Foto 1). Der Code mit einer Kantenlänge von 1/6 Zoll wird in weniger als 150 Millisekunden beschriftet. Die im Code enthaltenen Daten umfassen die vollständige Rückverfolgbarkeit des Bauteils (von der Harzcharge über die Spritzgießmaschine, Datum, Schicht und Uhrzeit bis zur Dichtheitsprüfung der Baugruppe).

Ein Manager aus der Automobilindustrie erklärt: „Viele der Acetal-Kraftstoffkomponenten im Motorraum, die wir konstruieren, sind kompakt. Die dauerhafte Mikrobeschriftung kritischer Informationen und Data-Matrix-Codes gegen Ende der automatisierten Montage, nach der Inline-Dichtheitsprüfung, ist für die Branche von großem Wert. Die eindeutige Bauteilidentifikation unterstützt zudem die interne Bestandsführung für Halbfertigerzeugnisse.“

Im Vergleich zur berührungslosen Laserbeschriftung und zum Tintenstrahldruck können „analoge“ Verfahren mit Tintenübertragung wie Tampondruck und Siebdruck auf den meisten Kunststoffen weder eine dauerhafte Beschriftung noch eine eindeutige Kennzeichnung auf Einzelteilebene erzeugen.

Zudem fallen bei diesen Verfahren hohe, wiederkehrende variable Kosten für Tinten, Tampons (Druckkissen), Klischees (Druckplatten) und Chemikalien an. Beim Vergleich von Laserbeschriftung und Tintenstrahl sind die Einsparungen bei Tinte und Verbrauchsmaterial ähnlich. Nicht dauerhafter Tintenstrahldruck erreicht nicht die feine Linienkantenauflösung, die für die industrielle Bildverarbeitung entscheidend ist, insbesondere bei kleinen Bauteilen. Fachleute gehen davon aus, dass 25 % der maschinenlesbaren Codes wegen mangelhafter Auflösungsqualität falsch gelesen werden. Bedenken Sie, dass die meisten Tinten auf vielen Kunststoffen mit niedriger Oberflächenenergie selbst mit Vorbehandlung nicht ausreichend haften. Dieser Zustand besteht sowohl bei digitalen als auch bei analogen Tintendruckverfahren.

Was sind maschinenlesbare Codes? Maschinenlesbare (Vision-)Codes enthalten Informationen, die mithilfe optischer Scanner oder Kameras interpretiert werden können. Ein bekanntes Beispiel ist der eindimensionale „Barcode“, eine Darstellung von Informationen, in der Regel als dunkler Kontrast auf hellem Hintergrund, die eine hohe und eine niedrige Reflexion erzeugt, welche in Einsen und Nullen umgewandelt wird. Die gängigsten Barcode-Formate speichern Daten in den Breiten und Abständen aufgedruckter paralleler Linien (schwarze und weiße Streifen).

Moderne Barcode-Systeme können zwar ASCII-Zeichensätze enthalten, doch manche Fertigungsprozesse erfordern deutlich leistungsfähigere maschinenlesbare Codes. Das anhaltende Bestreben, mehr Informationen auf kleinerem Raum zu codieren, hat zur Entwicklung zweidimensionaler „Data-Matrix“-Codes geführt. Data-Matrix-Codes können nicht von einem Laser (wie bei Barcodes) gelesen werden, da es in der Regel kein Abtastmuster gibt, das das gesamte Symbol erfassen könnte. Data-Matrix-Codes müssen mit einer Kamera erfasst werden. Der 2D-Data-Matrix-Code ist der bahnbrechende maschinenlesbare Code, der speziell entwickelt wurde, um die Grenzen von Barcodes zu überwinden. Abbildung 1 zeigt die Unterschiede zwischen 2D-Codes (Data Matrix und QR) und dem Barcode.

2D-Data-Matrix-Codes eignen sich ideal für die Beschriftung kleiner Bauteile und sind darauf ausgelegt, raue Industrieumgebungen zu überstehen. Bei gleichem Dateninhalt beträgt die Größe eines Data-Matrix-Codes 1/10 bis 1/100 der eines Barcodes. Schon sehr wenig Platz auf einem Bauteil kann umfangreiche Fertigungsdaten für die Rückverfolgbarkeit des Produkts enthalten. Jeder Code besteht etwa zur Hälfte aus schwarzen und zur Hälfte aus weißen Zellen, sodass mit einer Wahrscheinlichkeit von 50/50 eine Zellbeschädigung die Lesbarkeit nicht beeinträchtigt. Die hohe Redundanz des Data-Matrix-Codes (die Daten sind über das gesamte Symbol verteilt) und seine Unempfindlichkeit gegenüber Druckfehlern machen ihn äußerst zuverlässig. In den Algorithmus integrierte Fehlerkorrekturverfahren optimieren die Fähigkeit, Symbolschäden auszugleichen. Siehe Tabelle 1.

Laseradditive

Nahinfrarot-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. Manche Farbmittelverbindungen mit geringen Anteilen an Titandioxid (TiO2) und Ruß können ebenfalls Laserlicht absorbieren und in einigen Fällen den Beschriftungskontrast verbessern. Jede Polymersorte kann, auch innerhalb derselben Polymerfamilie, unterschiedliche Ergebnisse liefern. Additivformulierungen dürfen weder toxisch sein noch das Erscheinungsbild oder die physikalischen bzw. funktionalen Eigenschaften der Produkte beeinträchtigen.

Im Vergleich zu Druckverfahren mit Tinte (Tampon-/Siebdruck und Tintenstrahl) sind Laseradditive kostensparend und können gegenüber nicht optimierten Materialien 20 Prozent und höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten zeigen. Laseradditive werden als Pellet-Granulat und in Pulverform geliefert. Granulate können direkt mit dem Polymerharz gemischt werden, während Pulverformen zu Masterbatch verarbeitet werden. Die meisten lassen sich leicht in Polymeren dispergieren. Je nach Additiv und Polymer liegt die Einsatzkonzentration (Gewichtsanteil im Endbauteil) zwischen 0,01 und 4,0 Prozent.

Manche Additive enthalten Mischungen aus antimondotiertem Zinnoxid und Antimontrioxid, die der Opazität des natürlichen (ungefärbten) Substrats einen „gräulichen“ Farbton verleihen können. Andere Additive können Aluminiumpartikel, Mischmetalloxide und proprietäre Verbindungen enthalten. Farbanpassungen erfolgen mit Pigmenten und Farbstoffen, um das endgültige Farbabstimmungsergebnis zu erreichen. Handelsübliche, spezifische Additive (die auch für das Laserschweißen verwendet werden) haben die FDA-Zulassung für den Lebensmittelkontakt und den Einsatz in Lebensmittelverpackungen unter den Bedingungen A–H von 21 CFR 178.3297 – Colorants for Polymers erhalten. Für die Europäische Union gibt es vergleichbare Konformitätserklärungen. Die Zertifizierungsbedingungen sind spezifisch für Polymertyp, Einsatzkonzentrationsgrenze sowie direkten oder indirekten Kontakt. Eine weitere Qualifizierung von FDA-zugelassenen Additiven, die in ein „Endbauteil“ eingemischt werden, kann die Biokompatibilität von Medizinprodukten erreichen.

Ytterbium-Faserlasertechnologie

Verbesserungen in der Lasertechnologie waren entscheidend für die rasche Entwicklung der neuesten Generation FDA-zugelassener Laseradditive. Das Aufkommen von Nanosekunden-Ytterbium-Faserlasern ist einer der bedeutendsten Fortschritte beim Beschriften, Schweißen und Schneiden. Grundsätzlich unterscheiden sich Faserlaser 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 bis zur Strahlführungsoptik innerhalb eines Glasfaserkabels. Diese All-Faser-Struktur 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 Strahldichte. Ein Laser mit überlegener Strahlqualität lässt sich auf einen kleinen Spotdurchmesser fokussieren, was zu einer hohen Energiedichte führt. MOPA-Faserlaser (Master Oscillator Power Amplifier) mit fester und variabler Pulsdauer, Pulsenergien von bis zu 1 mJ und hoher Leistungsdichte können viele historisch schwer beschriftbare Polymere markieren. 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. Kurze Pulse, typischerweise <40 ns, ermöglichen bei der Bearbeitung empfindlicher Polymerwerkstoffe einen kontrollierteren Energieeintrag. Diese Pulse behalten die Spitzenleistung bei, um die Materialschwellen zu überwinden, haben aber eine geringere Pulsenergie, um lokale thermische Schäden zu verringern.

Die Anwendungsentwicklung ist stark spezifisch, 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 Steuerung der Laserwärmeeinbringung und der Einbringungsrate ermöglicht maximale Leistung. Welcher Lasertyp integriert wird, richtet sich nach den Ausgangseigenschaften des Lasers im Zusammenspiel mit dem optimierten Polymerwerkstoff.

Lasersysteme

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 (W/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

Moderne Systeme der industriellen Bildverarbeitung sind nicht nur eigenständige Prüfgeräte. Vielmehr sind sie in Six-Sigma-Fertigungsabläufe einschließlich Programmen zur statistischen Qualitätskontrolle integriert. Fortschrittliche Systeme enthalten künstliche Intelligenz, die die Möglichkeiten von Lasern und maschinenlesbaren Codes weiter ausbaut. Die leistungsstarke Kombination aus Laserbeschriftung gilt als entscheidend für den Erfolg, da sie Prozessrückmeldungen und Fehlervermeidung für Produkte mit nahezu null Fehlern ermöglicht.

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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