MOPA-Faserlaser für die Laserbeschriftung von Kunststoffen – Nicht alle Laser sind gleich!

MOPA-Faserlaser für die Laserbeschriftung von Kunststoffen – Nicht alle Laser sind gleich!

Dies ist der erste Teil einer zweiteiligen Serie über die bedeutendsten technologischen Entwicklungen in der industriellen Laserbeschriftung von Kunststoffen. Wir betrachten die Architektur von Ytterbium-Faserlasern, ihre Funktionsweise und die wichtigsten Leistungsfaktoren, die die Beschriftungsqualität bestimmen. Teil 2 behandelt neue Lösungen, die MOPA-Beschriftungslaser, Polymere und FDA-konforme Additive kombinieren, um überlegene Beschriftungskontraste, individuelle Farben und hohe Geschwindigkeit zu erzielen, auch bei der Inline-Laserbeschriftung.

Die wichtigsten Erkenntnisse

• MOPA entkoppelt die Laserparameter. Güte-geschaltete (Q-Switch-)Designs koppeln sie aneinander, was die Prozessoptimierung einschränkt.
• Die Konstanz der Strahlqualität zählt mehr als der M2-Wert selbst. Unterschiedliche Anwendungen benötigen unterschiedliche Strahlmoden; Inkonsistenz ruiniert die Beschriftung.
• Eine M2-Drift von 1,1 auf 1,5 verdoppelt die fokussierte Leistungsdichte und verändert die Beschriftungsqualität auf Kunststoffen dramatisch.
• Bestrahlungsstärke ist Intensität, Fluenz ist Dosis. Zu wenig, und es wird nichts beschriftet; zu viel, und das Material wird beschädigt.
• Leistung und Pulswiederholrate verhalten sich umgekehrt proportional. Hohe Spitzenleistung bei niedriger Frequenz verdampft das Material bei minimaler Wärmeleitung.

Häufig gestellte Fragen

Wofür steht MOPA und wie funktioniert es?

Master Oscillator Power Amplifier (Master-Oszillator-Leistungsverstärker). Er verstärkt eine modulierte Laserdiode geringer Leistung in Telekommunikationsqualität, um präzise Hochleistungspulse zu erzeugen. Da ein interner Pulsgenerator die Diode moduliert, lassen sich Pulsbreite und resultierende Pulsenergie über eine große Modulationsrate einstellen, halten oder anpassen.

Warum ist ein MOPA-Laser für Kunststoffe besser als ein Q-Switch-Faserlaser?

Er entkoppelt die Laserparameter. Bei einem Q-Switch-Faserlaser sind die Schlüsselparameter eng gekoppelt – eine höhere Pulswiederholrate sollte die mittlere Leistung erhöhen, stattdessen sinkt jedoch die Pulsleistung, und die Strahlqualität kann bei jeder Änderung von Leistung oder Wiederholrate erheblich schwanken. MOPA bietet bessere Prozessoptimierung und Wiederholgenauigkeit.

Was ist M2, und warum ist die Konstanz wichtiger als der Wert?

M2 quantifiziert, wie gut sich ein Strahl fokussieren lässt; M2 = 1 entspricht dem idealen Gauß-Strahl. Unterschiedliche Anwendungen benötigen unterschiedliche Strahlmoden, daher ist ein konstantes M2 wichtiger als ein niedriges. Eine Schwankung des M2 zwischen 1,1 und 1,5 führt zu einer Änderung der fokussierten Leistungsdichte um den Faktor 2, was die Beschriftungsqualität dramatisch verändert.

Was ist der Unterschied zwischen Bestrahlungsstärke und Fluenz?

Bestrahlungsstärke ist die Leistung pro Flächeneinheit in W/cm² – im Wesentlichen die Strahlintensität – und hängt vom fokussierten Fleckdurchmesser ab. Fluenz ist die Energie pro Flächeneinheit in J/cm² und bestimmt, wie viel Energie auf die Oberfläche übertragen wird. Bei zu geringer Fluenz bleibt das Material unbeeinflusst; bei zu hoher wird es über die gewünschte Beschriftung hinaus beschädigt.

Sind billige Faserlaser für die Kunststoffbeschriftung eine Scheinersparnis?

Für die Serienfertigung ja. Industrielle Laser laufen im Dauerbetrieb und nutzen hochwertige Optiken, Linsen, Scanköpfe, Elektronik und Software; einige führende Hersteller bieten Echtzeit-Fernüberwachung. Günstige Laser im Hobbyklassen-Stil leiden unter schwankender Beschriftungsqualität, weil preiswerte Optiken und Elektronik Schwankungen der Strahlqualität verursachen.

Der Aufstieg der MOPA-Faserlaser für die Beschriftung

Güte-geschaltete Nanosekunden-Ytterbium-Faserlaser werden seit ihrer Erfindung vor über 30 Jahren zur Beschriftung von Kunststoffen eingesetzt. Zu den Vorteilen dieser Laser zählen Faserführung, geringerer Platzbedarf, weniger Wartung und ein niedrigerer Preis. Faserlaser können eine bessere Strahlqualität und Helligkeit aufweisen als ihre Vorgänger, die bogenlampengepumpten Nd:YAG-Laser, wenn die Hersteller einen „Multimode“-Ausgang statt des „niedrigen“ Modus bzw. des transversalen elektromagnetischen Modus „TEM00“ verwenden.

Faserlaser zur Beschriftung haben typischerweise eine Pulsenergie von 1 mJ pro Einzelpuls. Ihr niedriger Preis und die bequeme Faserführung machten sie für Anwendungen der Laserbeschriftung rasch attraktiv. Das grundlegende Design von Q-Switch-Faserlasern hat sich im Lauf der Zeit kaum verändert, und diese Laser sind für viele Kunststoffbeschriftungen weiterhin beliebt. Die Designs sind stabil, doch die miteinander verknüpften Laserparameter setzen der Prozessoptimierung Grenzen. Vor fast 25 Jahren arbeiteten Wissenschaftler bei SPI Lasers (heute TRUMPF Lasers) mit Hochdruck an der nächsten Generation von Faserlasern zur Beschriftung.

Das Aufkommen von Nanosekunden-Ytterbium-Faserlasern in MOPA-Bauweise (Master Oscillator Power Amplifier) ist einer der bedeutendsten Fortschritte in der Laserbeschriftung von Kunststoffen. Ein branchenveränderndes Laserdesign liefert die Pulsenergie nun anders als herkömmliche Spiegel-/Q-Switch-Resonatoren. Das Design nutzt „Wellenformen“ als Laserwerkzeug für schnelle Bearbeitung und feine Pulssteuerung. Grafik 1 zeigt die 40 verschiedenfarbigen Wellenformpulse der MOPA-Faserlaser TRUMPF TruPulse Nano. Jede Farbe im Diagramm steht für eine eigene MOPA-Pulswellenform, mit der sich Fluenz und Bestrahlungsstärke ausbalancieren lassen, um die Beschriftungsergebnisse auf Kunststoffen zu optimieren. Wie bei vielen konkurrierenden Technologien herrschen oft Verwirrung und unbeabsichtigte Falschdarstellungen wichtiger Begriffe und Unterscheidungsmerkmale. Dieser Beitrag erläutert die Wissenschaft und Terminologie von Faserlasern, damit Leser und Käufer von Lasern fundierte Entscheidungen treffen können.

Ein MOPA-Faserlaser (Diagramm 1) verstärkt eine modulierte Laserdiode geringer Leistung in Telekommunikationsqualität, um präzise Laserpulse hoher Leistung zu erzeugen. Durch die Modulation der Diode geringer Leistung mit einem internen Pulsgenerator kann der Laser Pulsbreite und resultierende Pulsenergie über eine große Pulsmodulationsrate gezielt einstellen, halten oder anpassen.

Diese Architektur entkoppelt die Laserparameter im Vergleich zu Q-Switch-Lasern wirksam und bietet mehr Prozessoptimierung und Wiederholgenauigkeit für bessere und konstantere Beschriftungsergebnisse. Standard-MOPA-Faserlaser können ähnliche Schwankungen der Strahlqualität (M2) zeigen wie Q-Switch-Faserlaser. TRUMPF, ein führender Hersteller von Faserlasern, bietet ein patentiertes zweistufiges GTWave-Faserverstärkerdesign, das über den spezifizierten Pulswiederholbereich ein konstantes M2 beibehält. Anders als MOPA-Faserlaser arbeitet ein aktiv Q-Switch-geschalteter Faserlaser, indem er die Verstärkung im Laserresonator unterbricht; dadurch kann sich im Verstärker Verstärkung aufbauen, und Laserpulse hoher Leistung werden emittiert, sobald die Unterbrechung aufgehoben wird. Die Schlüsselparameter bei Q-Switch-Faserlasern sind eng gekoppelt.

Der Diodenstrom kann erhöht oder verringert werden, um die Ausgangsleistung zu ändern. Eine höhere Pulswiederholrate sollte die mittlere Leistung erhöhen; bei Q-Switch-Faserlasern ist dies jedoch nicht der Fall, da die Pulsleistung sinkt. Grafik 2 zeigt Leistung und Wiederholraten als Funktion der Zeit. Das M2 (Strahlqualität) von Q-Switch-Faserlasern kann bei jeder Änderung von Laserleistung und Pulswiederholrate erheblich schwanken. Eine Schwankung des M2 zwischen 1,1 und 1,5 führt zu einer Änderung der fokussierten Leistungsdichte um den Faktor 2, was die Beschriftungsqualität auf Kunststoffen dramatisch verändern kann.

Faktoren, die die Qualität der Laserbeschriftung beeinflussen

Ytterbium-Faserlaser arbeiten im Nahinfrarot-Spektrum (NIR) mit einer Wellenlänge von 1060–1070 nm. Die Aufgabe eines Beschriftungslasers besteht darin, die Bauteiloberfläche (Polymer) mit einer lokal begrenzten, hochenergetischen Strahlungsquelle (Laser) zu bestrahlen. Die Strahlungsenergie wird dann vom Material absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärmeenergie löst „thermisch-chemische“ Reaktionen im Material aus. Strahlgelenkte Laserbeschrifter nutzen Spiegel auf schnellen, computergesteuerten Galvanometern, um den Laserstrahl über die zu beschriftende Fläche zu lenken. Jedes Galvanometer, eines für die Y-Achse und eines für die X-Achse, sorgt für die Strahlbewegung im Beschriftungsfeld. Die Planfeldlinsen-Baugruppe fokussiert das Laserlicht, um eine hohe Leistungsdichte auf der Substratoberfläche zu erreichen.

Strahlqualität

Der Strahlqualitätsfaktor M2 quantifiziert die Fokussierbarkeit eines Strahls und ist entscheidend für die Beschriftungsleistung. Der M2-Faktor eines Laserstrahls begrenzt, wie stark der Strahl bei gegebener Strahldivergenz fokussiert werden kann, die wiederum durch die Apertur der Fokussierlinse begrenzt ist. M2 = 1 ist der ideale Gauß-Laserstrahl. Zusammen mit der optischen Leistung bestimmt der Strahlqualitätsfaktor die Helligkeit („Strahldichte“) des Laserstrahls. Ein konstanter M2-Faktor ist wichtiger als der Wert selbst, da verschiedene Anwendungen unterschiedliche Strahlmoden erfordern. Mangelnde Konstanz ist ein häufiges Problem leistungsschwächerer Laser und führt zu Schwankungen bei Beschriftung, Erscheinungsbild und Funktion.

Bestrahlungsstärke und Fluenz des Lasers

Bestrahlungsstärke und Fluenz des Lasers sind Schlüsselparameter bei der Kunststoffbeschriftung. Nachfolgend eine kurze Beschreibung, wie sie den Beschriftungsprozess beeinflussen:

Bestrahlungsstärke des Lasers: Die Bestrahlungsstärke ist die Laserleistung pro Flächeneinheit, gemessen in Watt pro Quadratzentimeter (W/cm2). Sie ist im Wesentlichen die Intensität des Laserstrahls und hängt vom fokussierten Fleckdurchmesser ab. Der fokussierte Laserfleckdurchmesser hängt bei gegebener Brennweite der Linse und Laserwellenlänge von der Strahldivergenz ab. Ein größerer Fleckdurchmesser ergibt eine geringere Energiedichte. Hohe Bestrahlungsstärke kann zu schneller Erwärmung und Verdampfung des Materials führen, während eine niedrige Bestrahlungsstärke möglicherweise überhaupt keine sichtbare Beschriftung erzeugt. Die Bestrahlungsstärke beeinflusst Geschwindigkeit und Qualität des Beschriftungsprozesses. Eine hohe Bestrahlungsstärke kann zu schnellerer Beschriftung führen, da das Material rasch erhitzt und verdampft wird. Ist die Bestrahlungsstärke jedoch zu hoch, kann sie das Material schädigen, etwa durch Rissbildung oder übermäßiges Verbrennen. Eine niedrige Bestrahlungsstärke wiederum kann zu geringer Beschriftungsgeschwindigkeit oder zu gar keiner sichtbaren Beschriftung führen.

Die Intensität wird beeinflusst durch:

• Pulsfrequenz (Hz, kHz) – Pulswiederholrate
• Laserleistung (Watt) – nicht zu verwechseln mit der Leistungsdichte in W/cm2
• Fokusfleckgröße – 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 Q-Switch-Faserlasern (feste Pulse).

Fluenz des Lasers: Die Fluenz ist ein Maß für die Laserenergie pro Flächeneinheit. Sie wird üblicherweise in Joule pro Quadratzentimeter (J/cm2) gemessen. Die Fluenz bestimmt, wie viel Energie 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 den gewünschten Beschriftungseffekt hinaus übermäßig geschädigt werden. Die Fluenz muss auf das jeweils beschriftete Material abgestimmt sein. Manche Materialien erfordern eine höhere Fluenz, um genügend Energie für eine sichtbare Beschriftung aufzunehmen, andere eine niedrigere, um Schäden zu vermeiden. Auch die Tiefe der Beschriftung lässt sich über die Fluenz beeinflussen; im Allgemeinen führt eine höhere Fluenz zu tieferen Beschriftungen.

Die Fluenz wird beeinflusst durch:

• Strahlintensität
• Scannergeschwindigkeit
• Pulsüberlappung
• Fokusdurchmesser des Strahls

Pulswiederholrate und Spitzenleistungsdichte sind entscheidende Parameter für die Ausbildung der Beschriftung und das Erreichen von optimalem Kontrast und optimaler Geschwindigkeit. 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. Die arithmetischen Kurven von Leistung über Pulswiederholrate verhalten sich umgekehrt proportional. Weitere Einflussfaktoren wie Beschriftungsgeschwindigkeit des Strahls und Vektorlinienabstand bestimmen Beschriftungskontrast und -qualität.

Durch sorgfältiges Einstellen und Steuern dieser Parameter lassen sich mit der Laserbeschriftung präzise, hochwertige Beschriftungen auf einer Vielzahl von Kunststoffmaterialien erzeugen. Es ist eine Abwägung, die von den Materialeigenschaften, der gewünschten Beschriftungstiefe und der erforderlichen Beschriftungsgeschwindigkeit abhängt. Der Zusatz von Laserabsorbern zum Kunststoff erweitert die Palette beschriftbarer Kunststoffmaterialien erheblich, verbessert die Beschriftungsqualität und vergrößert das Prozessfenster, um eine konstante Beschriftung sicherzustellen.

Nicht alle Laser sind gleich!

Trumpf Lasers hat die bahnbrechende MOPA-Faserarchitektur und die in diesem Beitrag beschriebenen industriellen Beschriftungssysteme entwickelt, die über alle Laser hinweg konstante Beschriftungsergebnisse sicherstellen. Es ist entscheidend, zwischen industriellen Lasern und günstigen Großhandelslasern zu unterscheiden.

Industrielle Laser sind billigen Hobbylasern aus dem Großhandel (Wiederverkäufer) überlegen. Industrielle Laser können rund um die Uhr im Dauerbetrieb laufen und sind mit hochwertigen Optiken, Linsen, Scanköpfen, Elektronik und vielseitiger Software ausgestattet. Einige der führenden Hersteller der Branche setzen auf Echtzeit-Fernüberwachung der Systeme, um Probleme zu erkennen, bevor sie entstehen. Billige Laser haben gravierende Probleme mit schwankender Beschriftungsqualität; preiswerte Optiken und Elektronik verursachen Schwankungen der Strahlqualität und uneinheitliche Beschriftungen.

In Teil 2 dieses Beitrags erfahren die Leser, wie Fortschritte in der Kunststoff-Materialwissenschaft und bei Nanosekunden-Faserlasern es ermöglicht haben, Kunststoffe zu beschriften, die sich bisher nur schwer oder gar nicht mit hochwertigem Kontrast, individuellen Farben und nie dagewesener Geschwindigkeit laserbeschriften ließen.

Zum Gedenken: Dieser Beitrag ist Mark Brodsky gewidmet, einem echten Laser-Visionär, Erfinder, Kollegen und Freund.

Literaturverzeichnis

1. Brodsky, M. “Wave Forms: A New Laser Tool,” Optics & Photonics, March 2012 2. “Laser Marking at a Glance Brochure,” TRUMPF Laser 3. Sabreen, S. “Fiber Lasers: Selection and Additives,” Plastics Decorating magazine, November 2017.

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