„Smart-Additive“ verbessern die Laserbeschriftung von Kunststoffen

„Smart-Additive“ verbessern die Laserbeschriftung von Kunststoffen

Besserer Kontrast, präzisere Linienkanten und höhere Geschwindigkeit

Die neueste Generation von „Smart-Additiven“ für die Laserbeschriftung, die in Polymere eingearbeitet werden, ist ein Quantensprung der Technologie, der sowohl leistungsfähig als auch kostensparend ist. Diese fortschrittlichen materialwissenschaftlichen Formulierungen erzielen bislang unerreichten Beschriftungskontrast, präzise Linienkanten und hohe Geschwindigkeit auf Kunststoffen, die sich traditionell nur schwer oder gar nicht laserbeschriften ließen. Ausgelegt für thermisch-chemische Oberflächenreaktionen, eignen sich diese Formulierungen ideal für Faser-, YAG- und Vanadat-Laser mit einer Wellenlänge von 1060 bis 1070 nm (Nahinfrarotbereich).

Für die Laserbeschriftung eignen sich Polymere, die Laserlicht absorbieren und die Lichtenergie in Wärmeenergie umwandeln. Da die meisten Polymere bei 1060 bis 1070 nm keine Absorptionseigenschaften besitzen, setzen Fachleute Additive, Füllstoffe, Pigmente und Farbstoffe ein, die die Absorption der Laserenergie für lokale Farbveränderungen verstärken. Die materialwissenschaftliche Chemie für kontrastreiche und farbige Laserbeschriftung ist Kunst und Wissenschaft zugleich. Entgegen der landläufigen Meinung gibt es kein einzelnes Laseradditiv, das alle Beschriftungsprobleme löst. Je nach gewünschtem Beschriftungskontrast und gewünschter Funktionalität kommen stark unterschiedliche Formulierungschemien, Lasertypen (Faser, YAG, Vanadat) sowie Laseroptiken und Einstellparameter zum Einsatz.

ABBILDUNG 1 zeigt „dunklen Beschriftungskontrast“ auf Polyethylen (links), „weißen Beschriftungskontrast“ auf Nylon (Mitte) und eine kundenspezifische Farbe Gelbgold auf ABS (rechts). Sie zeigt außerdem drei unterschiedliche Oberflächenreaktionsmechanismen. Erstens die Verkohlung: Sie tritt auf, wenn die absorbierte Energie die lokale Temperatur des Materials um die Absorptionsstelle so weit erhöht, dass das Polymer thermisch abgebaut wird. Zwar kann dies in Gegenwart von Sauerstoff zum Verbrennen des Polymers führen, doch die begrenzte Sauerstoffzufuhr im Inneren des Substrats bewirkt eine Verkohlung des Polymers, sodass ein schwarzer oder dunkler Beschriftungskontrast entsteht. Die Dunkelheit der Beschriftung hängt von der absorbierten Energie sowie vom individuellen thermischen Abbauweg des Materials ab. Additive, die einen dunklen Beschriftungskontrast erzeugen und in die Farbmittelmatrix des Harzes eingemischt werden, enthalten häufig Mischungen aus antimondotiertem Zinnoxid, Antimontrioxid oder Aluminiumpartikeln. Alle lassen sich leicht in Polymeren dispergieren. Typische Einsatzkonzentrationen liegen bei 0,01 % bis 3,0 % des Gewichts. Viele der fertigen Formulierungen haben die FDA-Zulassung für den Einsatz unter den Bedingungen A–H von 21 CFR 178.3297 Colorant for Polymers erhalten.

Eine zweite Oberflächenreaktion ist die chemische Veränderung: Additive, die beim Abbau Dampf freisetzen, führen zum Aufschäumen des Polymers. Während des Schäumvorgangs wird die Laserenergie von einem Additiv absorbiert, das sich in unmittelbarer Nähe zum Schäumungsmittel befindet. Die Wärme des Absorbers bewirkt, dass sich das Schäumungsmittel zersetzt und Dampf freisetzt. Beispiele für Schäumungsmittel sind Aluminiumhydroxid oder verschiedene Carbonate. Um eine Karbonisierung zu verhindern, setzt der Mechanismus voraus, dass sich das Polymer erst bei einer höheren Temperatur zersetzt als das schäumende Additiv. Durch eine präzise Steuerung der Laserbetriebsparameter lassen sich auf dunklen Substraten hochwertige und dauerhafte helle Beschriftungen erzeugen. Eine mangelhafte Lasersteuerung kann eine bröckelige oder kontrastarme Beschriftung erzeugen, die sich leicht zerkratzen lässt (geringe Dauerhaftigkeit).

Drittens wird Laserenergie genutzt, um ein Farbmittel in einer Farbmittelmischung zu erhitzen bzw. abzubauen, was zu einem Farbumschlag führt. Ein Beispiel ist eine Mischung aus Ruß und einem stabilen anorganischen Farbmittel. Beim Erhitzen wird der Ruß entfernt, und das anorganische Farbmittel bleibt zurück. Solche gemischten Farbmittelsysteme hängen von der spezifischen Stabilität der Farbmittel ab, und nicht alle Farbwechsel sind möglich.

Laserformulierungen dürfen weder toxisch sein noch das Erscheinungsbild oder die physikalischen bzw. funktionalen Eigenschaften der Produkte beeinträchtigen. Sie müssen genug Laserenergie absorbieren, um die lokale Temperatur des Polymers so weit zu erhöhen, dass es verkohlt oder aufschäumt und so die Beschriftung entsteht. Diese Temperatur variiert bei verschiedenen Polymeren, selbst innerhalb einer Polymerfamilie.

Wichtigste Erkenntnisse

• Es gibt kein universelles Additiv. Entgegen der landläufigen Meinung muss die Chemie auf Polymer, Farbe und Laser abgestimmt werden.
• Drei Mechanismen – Verkohlung, Schäumung und Farbumschlag des Farbmittels – decken dunkle, weiße und kundenspezifische farbige Beschriftungen ab.
• Die Einsatzkonzentration ist niedrig, typischerweise 0,01 % bis 3,0 % des Gewichts, und viele Formulierungen sind nach 21 CFR 178.3297 FDA-zugelassen.
• Geschwindigkeitsgewinne von 15 % oder mehr ergeben sich durch Additive bei Konzentrationen von nur 0,01 % bis 2,0 %.
• Die thermische Abbautemperatur sagt die Beschriftbarkeit voraus. Zwei HDPE-Sorten können sich allein aus diesem Grund sehr unterschiedlich beschriften lassen.

Häufig gestellte Fragen

Gibt es ein einzelnes Laseradditiv, das alle Beschriftungsprobleme löst?

Nein. Entgegen der landläufigen Meinung gibt es kein universelles Additiv. Je nach gewünschtem Kontrast und gewünschter Funktionalität sind stark unterschiedliche Formulierungschemien, Lasertypen – Faser, YAG oder Vanadat – sowie Optiken und Einstellparameter erforderlich.

Wie erzeugen Additive weiße Beschriftungen auf dunklem Kunststoff?

Durch Schäumung. Ein Additiv setzt beim Abbau Dampf frei, und die Laserenergie wird von einem Absorber in der Nähe des Schäumungsmittels aufgenommen. Aluminiumhydroxid und verschiedene Carbonate sind typische Schäumungsmittel. Das Polymer muss sich bei einer höheren Temperatur zersetzen als das schäumende Additiv, sonst kommt es stattdessen zur Verkohlung.

Warum lassen sich zwei Sorten desselben Polymers unterschiedlich beschriften?

Wegen unterschiedlicher thermischer Abbautemperaturen. Die thermogravimetrische Analyse zweier HDPE-Proben zeigt einen messbar unterschiedlichen Abbaubeginn, und das Polymer mit der höheren Temperatur benötigt mehr Laserenergie, langsamere Beschriftung oder mehr absorbierendes Additiv, um dasselbe Beschriftungsbild zu erreichen.

Wie viel schneller ist die Beschriftung mit optimierten Additiven?

Statistisch signifikante Zuwächse von 15 % oder mehr gegenüber nicht optimierten Formulierungen, erzielt bei niedrigen Konzentrationen von etwa 0,01 % bis 2,0 %. Die Laserbeschriftung von Gewinnspiel- und Aktionsmotiven unter dem Deckel von Getränkeverschlüssen ohne Dichtungseinlage läuft „im laufenden Prozess“ mit bis zu 1.500 Verschlüssen pro Minute.

Warum lässt sich eine helle Beschriftung leicht abkratzen?

Mangelhafte Lasersteuerung während der Schäumung. Ohne präzise Parametersteuerung entsteht eine bröckelige oder kontrastarme Beschriftung mit geringer Dauerhaftigkeit statt der hochwertigen, dauerhaften hellen Beschriftung, die der Mechanismus erzeugen kann.

Höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten erreichen

Die Zeit, die zum Beschriften eines Bauteils erforderlich ist, hängt vom Polymersubstrat, von der Anzahl der gezeichneten Vektorlinien und davon ab, wie schnell der Laserstrahl bzw. der Galvanometer-Scankopf alle Linien zeichnet. Auch die Lasersoftware und die Art der Vektorfüllung – unidirektional, bidirektional oder serpentinenförmig – können die Beschriftungszeit beeinflussen. Neue unabhängige Studien zeigen, dass durch den Einsatz von Laseradditiv-Formulierungen bei sehr niedrigen Konzentrationen, typischerweise 0,01 % bis 2,0 %, statistisch signifikant höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten erreichbar sind.

ABBILDUNG 2 zeigt ein thermogravimetrisches Analysediagramm (TGA) für zwei Polyethylene hoher Dichte. Die beiden Polymere weisen unterschiedliche thermische Abbautemperaturen auf – dem Prozess, der die Lasermarkierung erzeugt. Das Polymer mit der höheren Temperatur erfordert mehr Laserenergie, geringere Beschriftungsgeschwindigkeiten oder mehr absorbierendes Additiv, um dasselbe Beschriftungsbild zu erzielen. Smart-Additive sparen Kosten und zeigen gegenüber nicht optimierten Materialformulierungen 15 % und höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten. Eine interessante Anwendung ist die Laserbeschriftung „im laufenden Prozess“ für Gewinnspiel- und Aktionsmotive unter dem Deckel von Getränkeverschlüssen ohne Dichtungseinlage. Schlüsselfertige Systeme können individuelle Grafiken und alphanumerischen Text mit bis zu 1.500 Verschlüssen pro Minute beschriften. Beispiele zeigt ABBILDUNG 3.

Lasertechnologie

Die Fortschritte in der Lasertechnologie waren entscheidend für die rasche Entwicklung von Smart-Laseradditiven. Die Nanosekunden-Faserlasertechnologie ist ein aufstrebendes Feld und einer der bedeutendsten Fortschritte bei Lasern zum Beschriften, Schweißen und Schneiden. Faserlaser unterscheiden sich grundlegend von anderen Festkörper-Beschriftungslasern. 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 des Glasfaserkabels.

Faserlaser liefern eine überlegene Strahlqualität und Strahldichte. Das Maß für die Strahlqualität ist M². Je kleiner der M²-Wert, desto besser die Strahlqualität; M² = 1 entspricht dem idealen Gauß-Strahl. Ein Laser mit überlegener Strahlqualität lässt sich auf einen kleinen Spotdurchmesser fokussieren, was zu einer hohen Energiedichte führt. MOPA-Faserlaser mit Pulsenergien von bis zu 1 mJ und hoher Leistungsdichte können viele historisch schwer beschriftbare Polymere markieren, darunter Nylons, Urethane und Acetale.

Nicht alle strahlgelenkten Faser-, YAG- und Vanadat-Laser sind gleich. 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. 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.

Fazit

Die neueste Generation von „Smart-Additiven“ für die Laserbeschriftung, die in Polymere eingearbeitet werden, liefert bislang unerreichten Beschriftungskontrast, präzise Linienkanten und hohe Geschwindigkeit. Diese Vorteile gleichen die zusätzlichen Materialkosten für das Additiv schnell aus. Eine optimale materialwissenschaftliche Formulierung für die Laserbeschriftung von Kunststoffen erfordert Fachwissen über Polymere, Sorteneigenschaften innerhalb der Polymerfamilien, Farbmittel, Pigmente und Farbstoffe hinsichtlich Löslichkeit, Partikelgrößen, Grenzkonzentrationen, Farbabstimmung und regulatorische Zulassungen (GRAS, FDA-Direkt-/Indirektkontakt mit Lebensmitteln). Materialwissenschaftliche Lösungen müssen kosteneffizient und einfach anzuwenden sein und dürfen die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Polymers nicht beeinträchtigen.

Literatur

• Engelhard Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, mit fachlichen Beiträgen von The Sabreen Group Inc.
• Bruce Mulholland (Hoechst Technical Polymers) und Scott Sabreen (The Sabreen Group Inc.), „Enlightened Laser Marking“, Lasers&Optronics, Juli 1997.
• Daniel S. Burgess, Scott R. Sabreen und Carl Baasel Lasertechnik GmbH, „Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution“, Photonics Spectra, November 2001.

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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