Wie beschriftet man Kunststoff mit einem Laser? Laserbeschriftung von Kunststoffen mit Laseradditiven

Wie beschriftet man Kunststoff mit einem Laser? Laserbeschriftung von Kunststoffen mit Laseradditiven

Das Wichtigste in Kürze

• Polyamide gehören zu den am schwierigsten zu beschriftenden Polymeren, bedingt durch vielfältige Materialeigenschaften, Spritzgießbedingungen und Laserkonfigurationen.
• Drei Oberflächenmechanismen erzeugen Kontrast – Schwarz durch Karbonisierung, Weiß durch Schaumbildung und Farbänderung bei pigmentierten Polymeren.
• Am stärksten nachgefragt sind die Kontraste Deckweiß auf Schwarz, Tiefschwarz auf Weiß und Deckweiß auf mittlerem Blau.
• 20 ns bis 50 ns sind für die MOPA-Pulsbreite bei vielen Polymeren, darunter Nylons, der optimale Bereich.
• Eine Verifizierung nach Grade A wird bei Militär-, Luftfahrt-, Automobil- und Pharmaprodukten häufig gefordert.

SABREEN bietet folgende Lösungen für die Laserbeschriftung von Kunststoffen:

• Kundenspezifische Laser-Farbabmusterungen (Colormatch), Einhaltung von Vorschriften, Prototypenmuster
• Optimierung des Spritzgießprozesses, Dispergierung/Verteilung, analytische Prüfungen
• Auslegung und Integration von Lasersystemen, industrielle Bildverarbeitung
• Problemlösung vor Ort, Optimierung des Laserprozesses, vektorisierte Vorlagen/Grafiken
• Zertifizierung der Lasersicherheit, Laserschutzbeauftragter (LSO)

Überlassen Sie die Laserbeschriftung Ihrer Kunststoffteile bei Ihrem nächsten Projekt unserem Expertenteam. Wir gewinnen das Vertrauen und die verlässliche Zuversicht jedes Kunden, unter allen Umständen. Unsere Kultur ist darauf ausgerichtet, überlegene Fertigungslösungen zu erzielen und mit unserem unbeirrbaren Streben nach Exzellenz den technologischen Fortschritt voranzutreiben. Jeder Experte der SABREEN Group ist in seinem Fachgebiet renommiert. SCHEITERN IST KEINE OPTION!

Häufig gestellte Fragen

Wie beschriftet man Kunststoff mit einem Laser?

Ein Laser im nahen Infrarot – Ytterbium-Faserlaser, Vanadat- oder Nd:YAG-Laser – liefert Energie, die das Polymer absorbiert und in Wärme umwandelt. Dabei entsteht eine von drei Oberflächenveränderungen: Schwarzbeschriftung durch Karbonisierung, Weißbeschriftung durch Schaumbildung oder Farbänderung durch thermochemische Reaktion pigmentierter Polymere. Die meisten Polymere benötigen ein laserverstärkendes Additiv, um überhaupt zu absorbieren.

Warum lässt sich Nylon so schwer mit dem Laser beschriften?

Polyamide, einschließlich Polyphthalamide, haben vielfältige Materialeigenschaften, Spritzgießbedingungen und Laserkonfigurationen und absorbieren wie die meisten Polymere Laserlicht nicht von Natur aus, was eine Farbänderung verhindert. Laserverstärkende chemische Additive verbessern Kontrast, Geschwindigkeit und Beständigkeit erheblich.

Welche Pulsbreite eignet sich am besten für Nylon?

MOPA-Laser erzeugen Pulsbreiten von 1 ns bis 250 ns und darüber. The Sabreen Group hat festgestellt, dass 20 ns bis 50 ns bei vielen Polymeranwendungen, darunter Nylons, der ideale Bereich für optimalen Farbkontrast sind. Variable Kurzpuls-MOPA-Laser sind besonders wirksam bei temperaturempfindlichen Polymeren, bei denen übermäßige Karbonisierung vermieden werden muss.

Welche Additivkonzentration ist typisch?

Zwischen 0,01 und 3,0 Gew.-% im fertigen Bauteil. Granulat wird direkt mit dem Harz gemischt, Pulver wird zu Masterbatch verarbeitet. Ob der Kontrast gleichmäßig ausfällt, entscheidet die homogene Verteilung und Dispergierung in jedem Bauteil.

Warum ist die Beschriftungsqualität bei Data-Matrix-Codes wichtig?

Weil die Datenzellen umso dichter werden, je länger die Datenfolge ist. Erst eine hochauflösende Kantenqualität der Linien macht kleine Zellen für die Direktbeschriftung von Bauteilen lesbar. Eine Verifizierung nach Grade A wird bei Militär-, Luftfahrt-, Automobil- und Pharmaanwendungen oft gefordert; kontrastreiche Codes lassen sich zudem schneller beschriften und mit preiswerten Handlesegeräten lesen.

Laserbeschriftung von Kunststoffen – Komplettlösungen für kontrastreiche Laserbeschriftung

Die Nachfrage nach kontrastreicher Laserbeschriftung von Produkten aus Nylon (Polyamid) wächst aufgrund der vielfältigen industriellen Anwendungen rasant. Funktionale und dekorative Beschriftungen umfassen alphanumerische Kennzeichnungen, Data-Matrix-/QR-Codes für die Bildverarbeitung, Diagramme und Mikrostrukturen.

Polyamide, einschließlich Polyphthalamide (PPA), gehören aufgrund ihrer vielfältigen Materialeigenschaften, Spritzgießbedingungen und Laserkonfigurationen zu den anspruchsvollsten Polymeren für die Laserbeschriftung. „Intelligente“ Additive für Laser im nahen Infrarot lösen Kontrastprobleme und erhöhen die Beschriftungsgeschwindigkeit (kürzere Zykluszeit), ohne die Materialeigenschaften zu beeinträchtigen.

Dieser Artikel vermittelt ein Verständnis von Nylons, chemischen Additiven und Faserlasern, um kontrastreiche Farbbeschriftung und wirtschaftliche Laserbeschriftungsprozesse zu erreichen.

Ein grundlegender Parameter zur Beschreibung der Beschriftungsqualität ist der Farbkontrast zwischen der beschrifteten Oberfläche und dem Substrat. Bei NIR-Lasern, darunter Ytterbium-Faserlaser, Vanadat- (Nd:YVO4) und Nd:YAG-Laser, gibt es drei Oberflächenmechanismen für die Farbänderung: 1) Schwarzbeschriftung durch Karbonisierung, 2) Weißbeschriftung durch Schaumbildung und 3) Farbänderungen durch laserinduzierte thermochemische Reaktionen pigmentierter Polymere1. Zu den am stärksten nachgefragten Kontrastfarben gehören Deckweiß auf Schwarz, Tiefschwarz auf Weiß und Deckweiß auf mittlerem Blau. Diese Farbkombinationen erfordern häufig chemische Additive. Additive verbessern den Grad des Farbkontrasts (Absorption von Laserlicht), der durch optimale Laserwahl und Beschriftungsparameter weiter verstärkt wird.

Was ist Nylon (Polyamid)?

Polyamide bzw. Nylon sind die wichtigste Klasse technischer Hochleistungs-Thermoplaste mit wiederkehrenden Amidbindungen, d. h. –CO-NH–. Sie entstehen durch Kondensation gleichartiger Einheiten, Copolymere aus unterschiedlichen Einheiten.

Nylon wird durch Polykondensation einer Disäure mit einem Diamin oder durch ringöffnende Polymerisation von Lactamen mit sechs, 11 oder 12 Kohlenstoffatomen hergestellt2. Nylon-Monomere können aliphatisch, teilaromatisch oder aromatisch (Aramide) sein, und die Strukturen reichen von amorph über teilkristallin bis zu mehr oder weniger hoher Kristallinität.

Aliphatische Polyamide werden in weitaus größeren Mengen hergestellt als vollaromatische Polyamide und zählen zu den wichtigsten Klassen technischer Thermoplaste.

Zwei wichtige Polyamide sind Poly(hexamethylenadipamid) (Nylon 6,6) und Polycaprolactam (Nylon 6). Weitere aliphatische Polyamide sind Nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 und 1212. Nylon 11 ist ein biobasierter technischer Kunststoff, der aus nachwachsenden Rohstoffen (Rizinuspflanzen) gewonnen wird.

Teilaromatische, teilkristalline Polyamide, die aus der Kondensation aliphatischer Amide hergestellt werden, sind unter anderem PA 6T und PA 6I. Teilaromatische Polyamide sind oft eine kostengünstige Alternative zu den teureren vollaromatischen Aramiden. Aromatische Polyamide, sogenannte Aramide, haben höhere Festigkeit, bessere Lösungsmittel-, Flammen- und Hitzebeständigkeit sowie größere Dimensionsstabilität als aliphatische Amide. Ein allgemein bekanntes aromatisches Amid ist Kevlar, Poly(p-phenylenterephthalamid).

Polyamide, einschließlich Polyphthalamide (PPA), gehören aufgrund ihrer vielfältigen Materialeigenschaften, Spritzgießbedingungen und Laserkonfigurationen zu den anspruchsvollsten Polymeren für die Laserbeschriftung.

Polyphthalamid (PPA) ist eine Untergruppe thermoplastischer Kunstharze aus der Familie der Polyamide (Nylon); es ist definiert durch einen Anteil von 55 Mol-% oder mehr Carbonsäure am wiederkehrenden Baustein der Polymerkette. PPA ist teilaromatisch und teilkristallin. PPA schließt die Leistungslücke zwischen aliphatischen Nylons wie PA6,6 und PA6 und den deutlich teureren Polyaramiden.

„Intelligente“ Additive

Ein Parameter zur Beschreibung der Beschriftungsqualität ist der Farbkontrast zwischen beschrifteter Oberfläche und Hintergrund. Kontrast entsteht nicht immer durch die Farbänderung selbst, er kann auch durch veränderte Lichtbeugung erzielt werden.

Ebenso wichtig sind Beschriftungsqualität und/oder -treue, d. h. Feinlinienauflösung bzw. Schärfe. Viele Polymere, darunter Nylons, absorbieren Laserlicht nicht von Natur aus, was eine Farbänderung verhindert. Laserverstärkende chemische Additive verbessern Beschriftungskontrast, -geschwindigkeit und -beständigkeit erheblich (siehe Bild 1). Die Substratfarbe spielt eine Rolle, da Stoffe wie Ruß, TiO2 und Flammschutzmittel Laserlicht unterschiedlich stark absorbieren.

Laseradditive werden als Pellet-Granulat und als Pulver geliefert. Granulate werden direkt mit dem Polymerharz gemischt, Pulverformen werden zu Masterbatch verarbeitet. Die Einsatzkonzentration (bezogen auf das Gewicht im fertigen Bauteil) liegt typischerweise zwischen 0,01 und 3,0 %. Eine homogene Verteilung/Dispergierung der Laseradditive im gesamten Bauteil ist entscheidend für optimalen Farbkontrast.

Farbanpassungen erfolgen mit Pigmenten und Farbstoffen, um das endgültige Colormatch-Erscheinungsbild zu erreichen. Bestimmte Additive haben die FDA-Zulassung für den Lebensmittelkontakt und für Lebensmittelverpackungen unter den Bedingungen A–H von 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers 1 erhalten.

Ytterbium-Faserlaser

Ytterbium-Faserlaser im nahen Infrarot kamen etwa 2010 auf den industriellen Beschriftungsmarkt und lösten herkömmliche YAG-Laser ab. Faserlaser besitzen eine überlegene Strahlqualität (M2) und hohe Brillanz und lassen sich auf einen kleinen Fokusdurchmesser (unter 20 Mikrometer) fokussieren, was zu einer hohen Energiedichte führt. Faserlaser sind äußerst vielseitig, wirtschaftlich und Plug-and-Play mit nahezu keinem Wartungsaufwand.

Nanosekunden-Faserlaser mit fester Pulsbreite (Q-switched) und mit variabler Pulsbreite (MOPA) werden von mehreren Laserherstellern angeboten, darunter IPG Photonics und SPI Lasers. Q-Switch-Faserlaser mit typischerweise 100 bis 150 ns Pulsbreite werden für einige Polymerbeschriftungen eingesetzt, doch ist ihre Pulsfrequenz wegen der systembedingten Einschränkung der Q-Switch-Technik auf etwa 80 kHz begrenzt.

Direkt modulierte MOPA-Faserlaser (DM-MOPA) arbeiten bei Nanosekunden-Pulsbreiten mit Pulsfrequenzen bis zu 500 kHz. Die Pulsbreite [ns] ist ein Maß für die Zeit zwischen Beginn und Ende des Pulses, üblicherweise bezogen auf die Halbwertsbreite (FWHM) der Pulsform.

Hohe Pulsfrequenzen führen im Allgemeinen (in Verbindung mit anderen Laser-/Pulsformparametern) zu höherer Beschriftungsgeschwindigkeit. Es gibt erhebliche Unterschiede bei den Pulsformen und beim Grad der Oberflächenkarbonisierung3 (siehe Bild 1).

Die örtlich und zeitlich begrenzte Steuerung des Wärmeeintrags des Lasers und der Wärmeeintragsrate ermöglicht maximale Leistung. Bei temperaturempfindlichen Polymeren sind Faserlaser mit variabler Kurzpulsbreite (MOPA) besonders wirksam, um hohen Kontrast ohne übermäßige Karbonisierung zu erzielen.

Auf klaren Kunststoffen für medizinische Anwendungen ist eine Beschriftung unterhalb der Oberfläche möglich. Im Allgemeinen erzeugen MOPA-Laser Pulsbreiten (Pulsdauern) von 1 ns bis 250 ns (und darüber). The Sabreen Group hat festgestellt, dass 20 ns bis 50 ns bei vielen Polymeranwendungen, darunter Nylons, der ideale Bereich für optimalen Farbkontrast sind.

Bei kosmetischer und funktionaler Beschriftung machen Laseradditive einen entscheidenden Unterschied, wenn für Data-Matrix- und Barcodes zur Direktbeschriftung von Bauteilen (DPM) hohe Auflösung, Kantenqualität der Linien und kleine Datenzellen gefordert sind. Je länger die Datenfolge, desto dichter werden die Datenzellen.

Eine Verifizierung nach Grade „A“ wird bei Militär-, Luftfahrt-, Automobil- und Pharmaprodukten häufig gefordert. Die Lesbarkeit kontrastreicher Codes hat weitere Vorteile – höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten, und in der gesamten Fabrik können preiswerte Handlesegeräte verwendet werden.

Fazit

Quellen

• 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, März 2012.

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. Er ist unter 972.820.6777 erreichbar oder über www.sabreen.com bzw. www.plasticslasermarking.com.

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