Laserbeschriftung von Kunststoffen, Laseradditive zur Beschriftung

Direktbeschriftung von Kunststoffteilen mit industriellen Lasern

Die Laserbeschriftung von Kunststoffteilen, Lasergravur und Laserätzen mit lasersensitiven Farbmitteln und Additiven, die in die Kunststoffcompounds eingemischt werden, erzeugt einen besseren Kontrast, höhere Qualität, schnellere Beschriftungsgeschwindigkeit und geringere Kosten. Laseradditive sind hochwirksam bei Kunststoffen wie ABS, Acetal (POM), Nylon (Polyamid), Polycarbonat, PET/PETG, Polyethylen, Polypropylen, Polyester, PVC, PPS, Polyurethan, Kautschuken/Elastomeren, Styrol und weiteren. Zu den Mechanismen der Laserbeschriftung zählen Karbonisierung, chemische Veränderung, Farbveränderung und Ablation bei den Wellenlängen NIR 1060-1080 nm, Grün 532 nm und UV 355 nm.

Laserbeschriftung von Kunststoffteilen

Mechanismen der Laserbeschriftung

The Sabreen Group war 1992 das erste Unternehmen, das „intelligente" chemische Laseradditive entwickelte und Laseranlagen für die Beschriftung von Elektronik in der Luft- und Raumfahrt sowie beim US-Militär/der NASA integrierte. Die Expertise von SABREEN garantiert höchste Prozessqualität bei der Laserbeschriftung – mit über 45 Jahren praktischer Erfahrung in den Bereichen Laseradditive, Polymere & Farbmittel, Laserquellen, Systemdesign, Fertigung & Integration, regulatorische Konformität und Spritzgussverfahren.

Laseradditive für Kunststoffe

Laserbeschriftung von Nylon-Kunststoffen

Faserlaser zur Beschriftung von Kunststoffen

Laserbeschriftung glasfaserverstärkter Kunststoffe

Laseradditive verbessern die Laserbeschriftung

Inline-Laserbeschriftung von Kunststoffen

Laserbeschriftungstechnologien für PPS

Farbmittel und Additive für die Laserbeschriftung

Nicht alle Kunststoffe lassen sich gleich beschriften!

Eine kontrastreiche Laserbeschriftung von Kunststoffen hängt von Farbmitteln, Pigmenten/Farbstoffen, der Farbstärke, Kratzschutzmitteln und mitunter speziellen Additiven ab, die Infrarot-Laserenergie absorbieren, um physikalische und chemische Veränderungen im Polymer auszulösen. Farbmittel und Additive werden als Masterbatch, vorcompoundiertes Granulat oder Pulver geliefert und während der primären Formgebung zugegeben. Die Dispersion und Verteilung laseroptimierter Farbmittel und Materialien ist entscheidend für gleichbleibende Beschriftungsergebnisse.

Kontrastreiche Laserbeschriftung von Kunststoffen

SABREEN setzt laserspezifische Ruße und Titandioxide ein, um im Vergleich zu herkömmlichen Farbmittelverbindungen einen besseren Kontrast und schärfere Kantendetails zu erzielen. Kunststoffe mit falschem Rußtyp oder falscher Rußdosierung bzw. Titandioxid-Dosierung liefern minderwertige und unleserliche Beschriftungsergebnisse. Wir bieten zahlreiche Alternativen zu antimondotierten Zinnoxiden für Anwendungen, die FDA-Konformität und regulatorische Compliance erfordern.

Experten für industrielle Laserbeschriftung

Gesamtlösungen aus einer Hand für die Laserbeschriftung von Kunststoffen – von der Materialwissenschaft bis zur kundenspezifischen Systemintegration.

Technische Dienstleistungen

• Kundenspezifische Laser-Farbabstimmungsformulierungen & Compounds, regulatorische Konformität, Musterproben – Masterbatch, vorcompoundierte Materialien (Precolor), Laserlaminate.
• Design von Laseranlagen, schlüsselfertige Systemintegration & Schulung, industrielle Bildverarbeitung, kundenspezifische HMI, Prozessdokumentation.
• Problemlösung vor Ort (weltweit), Laserprozessanalyse & Systemoptimierung, kundenspezifische Vektorgrafiken.
• Laser-Sicherheitszertifizierung, vollständige Anwendungen inklusive Design & CDRH-Class-1-Gehäuse, Laser Safety Officer (LSO) für interne Audits.
• Kunststoffspritzguss & analytische Untersuchungen, Formfüllsimulation, Dispersion/Verteilung von Additiven und Farbmitteln.
• Lohnbeschriftungs-Dienstleistungen

Mechanismen der Laserbeschriftung

Bei der Laserbeschriftung von Kunststoffen wird das Polymer mit einer hochenergetischen Strahlungsquelle bestrahlt, z. B. einem Ytterbium-Faserlaser. Die Strahlungsenergie wird lokal vom Material absorbiert und in thermische Energie umgewandelt, die Reaktionen im Ziel-Polymersubstrat auslöst. Bei der Laserbeschriftung von Kunststoffen im Nahinfrarotbereich gibt es drei Arten von Oberflächenreaktionen: 1) Karbonisierung bzw. Verkohlung, 2) chemische Veränderung durch Aufschäumen und 3) Farbveränderung durch Abbau. Alle Oberflächenreaktionen lassen sich mit demselben Laser durch Ändern der Einstellungen (Leistung, Pulswiederholrate, Beschriftungsgeschwindigkeit) in der Beschriftungssoftware erzielen. Dauerstrich(CW)-CO₂-Laser arbeiten bei einer Wellenlänge von 10.6 Mikrometern (Ferninfrarotbereich). CW-CO₂-Laser besitzen eine geringe Spitzenleistung und können keine kontrastreichen Beschriftungen auf Kunststoffen erzeugen.

Lösungen für die Laserbeschriftung

Industrielle Lösungen für die Laserbeschriftung. Kunststoffe und Farbmittel, Laseradditive, Spritzguss, Laser und Optik, Systemintegration.

Laseradditive und Farbmittel

Laseradditive senken die Kosten und erzielen einen besseren Beschriftungskontrast bei höherer Geschwindigkeit.

NEUE Technologie

Ein einziges Additiv erzeugt im selben Zyklus tiefschwarzen und deckend weißen Beschriftungskontrast. Ideale Lösung als Etikettenersatz und für den Tintendruck auf Kunststoffflaschen und Formteilen. FDA-konform.

Anwendungen der Laserbeschriftung von Kunststoffen

Hebel für Fahrzeuginnenraum

Preisgekröntes Smart Badge für Mitarbeiter, RFID.

Deckelloser Kraftstoffeinfüllstutzen für die Automobilindustrie

Medizinische Schläuche, FDA-konform für invasive chirurgische Eingriffe. On-the-Fly-Laserbeschriftung ersetzt den Tintendruck.

Tiefschwarzer Beschriftungskontrast. Neues Additiv ist FDA-konform. Enthält keine Schwermetalle wie Antimon-Zinnoxid/-trioxid. Ideal für Tiere.

On-the-Fly-Laserbeschriftung von linerlosen Getränkeverschlüssen. FDA-konformes Additiv. Beschriftungsgeschwindigkeit von 2,000 Verschlüssen pro Minute. HDPE, PE, Polypropylen und mehr.

Laserbeschriftung von Kunststoffen mit industriellen Faserlasern

Ytterbium-Faserlaser, MOPA- und Festpuls-Laser eignen sich ideal zum Beschriften und Gravieren von Kunststoffen. Die Funktion eines Beschriftungslasers besteht darin, die Bauteiloberfläche (Polymer) mit einer lokal begrenzten hochenergetischen Strahlungsquelle (Laser) zu bestrahlen. Die Strahlungsenergie wird anschließend vom Material absorbiert und in thermische Energie umgewandelt. Diese thermische Energie löst „thermochemische" Reaktionen im Material aus. Laserbestrahlungsstärke und Fluenz sind Schlüsselparameter bei der Kunststoffbeschriftung. Die Intensität wird durch Pulsfrequenz, Laserleistung, Fokuspunktgröße und Pulsbreite beeinflusst. Die Fluenz wird durch Strahlintensität, Scannergeschwindigkeit, Pulsüberlappung und Fokusstrahldurchmesser beeinflusst. Intensitäts- und Fluenzparameter werden je nach Kunststofftyp sorgfältig abgestimmt, um optimale Qualität zu erzielen.

Alle

ABS

Acetal

Nylon

Polycarbonat

Polyphenylensulfid

Fachbegriffe zur Laserbeschriftung

„Laserbeschriftung" von Kunststoffen ist ein berührungsloses digitales Verfahren, bei dem dauerhafte Informationen mit minimaler Materialeindringtiefe auf die Substratoberfläche aufgebracht werden. Die Informationen liegen typischerweise in Form von alphanumerischem Text, Symbolen, Grafiken, Logos, Schaltplänen, Barcodes, Codes für die industrielle Bildverarbeitung usw. vor. Strahlgeführte Ytterbium-Faserlaser (sowie deren Vorgänger, bogenlampen- und diodengepumpte Nd:YAG-Laser) arbeiten bei 1060-1080 nm (Nahinfrarot) und besitzen ideale Wellenleitereigenschaften, die auf ihre Emissionswellenlänge und Leistungsdaten (Spitzen- und Durchschnittsleistung) abgestimmt sind. Flying Optics ist eine alternative Methode zur Bauteilbeschriftung. Bestimmte Farben spezifischer polymerer Materialien lassen sich auch mit kürzeren Wellenlängen von 532 nm (frequenzverdoppelt) und UV 355 nm beschriften.

Der grundlegende Mechanismus der strahlgeführten Laserbeschriftung bei einer Wellenlänge von 1060-1080 nm besteht darin, das Polymer mit einer hochenergetischen Strahlungsquelle zu bestrahlen. Die Strahlungsenergie wird lokal vom Material absorbiert und in thermische Energie umgewandelt. Diese thermische Energie löst wiederum Reaktionen im Substratmaterial aus. Im Nah-IR-Wellenlängenbereich sind mehrere Reaktionsarten möglich, darunter Verkohlung, Ablation und chemische Veränderung. Je nach gewünschtem Beschriftungskontrast können sehr unterschiedliche Chemien und Laserparameter gewählt werden, um die bevorzugte Reaktionsart zu erzielen.

Karbonisierung bzw. Verkohlung tritt auf, wenn die absorbierte Energie die lokale Temperatur des Materials an der Absorptionsstelle so weit erhöht, dass es zu einem thermischen Abbau des Polymers kommt. In Gegenwart von Sauerstoff führt dies zum Verbrennen des Polymers; innerhalb des Werkstücks bewirkt jedoch die begrenzte Sauerstoffzufuhr eine Verkohlung des Polymers, wodurch eine schwarze Markierung entsteht. Die Dunkelheit der Markierung hängt von der absorbierten Energie sowie vom thermischen Abbauverhalten des Materials ab.

Beispiel – ABS-Computertastenkappen

Laserätzen von Kunststoffen (auch als „Ablation" bezeichnet) ist ein berührungsloses digitales Verfahren, bei dem ein Laserstrahl durch Verdampfen oder Schmelzen Material von der Substratoberfläche abträgt, mit minimaler Eindringtiefe. Die Tiefe einer Laserätzung beträgt in der Regel nicht mehr als 0.001 Zoll. Beispiel: Tag/Nacht-Bedienelemente im Automobilbereich.

Bei der Tag/Nacht-Anwendung werden Materialschichten entfernt, um eine bestimmte Farbschicht freizulegen. Das Beispiel zeigt eine weiße Grundbeschichtung, die mit einer oder mehreren schwarzen Deckschichten überzogen ist. Das Basispolymer ist typischerweise transparentes Polycarbonat oder ABS – beides amorphe Polymere, die (Hintergrund-)Licht von LED-Quellen durchlassen. Tiefere Markierungen in das Substrat würden als „Gravur" des Materials gelten, nicht nur als Ätzung der Oberfläche.

Lasergravur ist ein tiefer eindringendes Verfahren als Laserätzen und Laserbeschriftung. CW-CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 10.6 µm werden typischerweise für die direkte, farblose Gravur von Polymeren eingesetzt. Eine weitere Anwendung der Gravur ist die mehrschichtige Gravur selektiver Farbschichten (Kernfarbe & Oberflächenfarbe), z. B. für Namensschilder, Etiketten und Beschilderungen.

Die Leistungsdichte ist eine Funktion der fokussierten Laserspotgröße (Laserleistung pro Flächeneinheit, Watt/cm2). Sie unterscheidet sich von der reinen Ausgangsleistung des Lasers. Die fokussierte Laserspotgröße bei einer gegebenen Fokuslinse und Laserwellenlänge hängt von der Strahldivergenz ab, die durch die Laserkonfiguration, die Blendengröße zur Modenselektion und die Vergrößerung des Aufkollimators (Strahlaufweiters) bestimmt wird.

Die Pulswiederholrate (über einen akustooptischen Q-Switch) und die Spitzenleistungsdichte sind entscheidende Parameter für die Ausbildung der Markierung und für optimalen Kontrast und optimale Geschwindigkeit. Hohe Spitzenleistung bei niedriger Frequenz erhöht die Oberflächentemperatur schnell und verdampft das Material, wobei nur minimal Wärme in das Substrat eingeleitet wird. Mit steigender Pulswiederholrate erzeugt eine geringere Spitzenleistung nur minimale Verdampfung, jedoch mehr Wärme. Auch die Strahlgeschwindigkeit (Geschwindigkeit des Laserstrahls über die Werkstückoberfläche) ist ein entscheidender Faktor.

Laseradditive verbessern den Kontrastgrad, der sich durch Anpassung der Laser-Setup-Parameter weiter verstärken lässt. Polymere besitzen von Natur aus Eigenschaften, die einen „dunklen" oder „hellen" Beschriftungskontrast ergeben. Manche Farbmittelverbindungen mit geringen Mengen an Titandioxid (TiO2) und Ruß können ebenfalls Laserlicht absorbieren und in manchen Fällen den Beschriftungskontrast verbessern. Selbst innerhalb derselben Polymerfamilie kann jeder Polymertyp unterschiedliche Ergebnisse liefern. Additivformulierungen dürfen nicht toxisch sein oder das Erscheinungsbild sowie die physikalischen oder funktionalen Eigenschaften des Produkts beeinträchtigen.

Im Vergleich zu Tintendruckverfahren (Tampon-/Siebdruck und Tintenstrahldruck) senken Laseradditive die Kosten und ermöglichen im Vergleich zu nicht optimierten Materialformulierungen um 15 Prozent (oder mehr) schnellere Beschriftungsgeschwindigkeiten. Laseradditive werden in Form von Pelletgranulat und Pulver geliefert. Granulatprodukte können direkt mit dem Polymerharz vermischt werden, während Pulverformen zu Masterbatch verarbeitet werden. Sie lassen sich am einfachsten in Polymeren dispergieren. Je nach Additiv und Polymer liegt die Beladungskonzentration nach Gewicht (im fertigen Bauteil) zwischen 0.01 Prozent und 4.0 Prozent.

Sowohl Granulat- als auch Pulverformen lassen sich zu vorcompoundiertem Farbmaterial oder Farbkonzentrat verarbeiten. Die Wahl des einzusetzenden Additivs hängt von der Polymerzusammensetzung, der Substratfarbe, der gewünschten Beschriftungskontrastfarbe und den Zertifizierungsanforderungen der Endanwendung ab. Manche Additive enthalten Mischungen aus antimondotiertem Zinnoxid und Antimontrioxid, die der natürlichen (unpigmentierten) Substratopazität einen „gräulichen" Farbton verleihen können. Andere Additive können Aluminiumpartikel, gemischte Metalloxide und proprietäre Verbindungen enthalten.

Farbanpassungen erfolgen mittels Pigmenten und Farbstoffen, um das endgültige Farbabstimmungsergebnis zu erzielen. In der handelsüblich gelieferten Form haben bestimmte Additive (auch für das Laserschweißen verwendet) die FDA-Zulassung für den Lebensmittelkontakt und die Lebensmittelverpackung gemäß den Bedingungen A-H von 21 CFR 178.3297 „Colorant for Polymers" erhalten. Für die Europäische Union bestehen vergleichbare Konformitätserklärungen. Die Zertifizierungsbedingungen sind spezifisch für den Polymertyp, den Grenzwert der Beladung sowie direkten oder indirekten Kontakt. Eine weitergehende Qualifizierung FDA-zugelassener Additive im „fertigen Bauteil" kann die Biokompatibilität von Medizinprodukten sicherstellen (siehe internationale Norm ISO-10993).

Höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten erzielen

Die für die Beschriftung eines Bauteils erforderliche Zeit hängt vom polymeren Substrat, der Anzahl der gezeichneten Vektorlinien und der Geschwindigkeit ab, mit der der Laserstrahl bzw. der Galvanometer-Scankopf alle Linien zeichnet. Auch die Lasersoftware sowie die Art der Vektorfüllung – unidirektional, bidirektional oder mäanderförmig – können die Beschriftungszeit beeinflussen.

Neue unabhängige Studien zeigen, dass sich durch den Einsatz von Laseradditiv-Formulierungen bei sehr geringen Konzentrationen von typischerweise 0.01 % bis 2.0 % statistisch signifikant schnellere Beschriftungsgeschwindigkeiten erzielen lassen.

Die Abbildung rechts zeigt eine thermogravimetrische Analyse (TGA) für zwei Polyethylene hoher Dichte. Die beiden Polymere weisen unterschiedliche Temperaturen des thermischen Abbaus auf – jenes Verfahrens, das die Lasermarkierung erzeugt. Das Polymer mit der höheren Temperatur benötigt mehr Laserenergie, geringere Beschriftungsgeschwindigkeiten oder mehr absorbierende Additive, um das gleiche Markierungsbild zu erzielen.

Thermogravimetrische Analysen (TGA) von Raumtemperatur bis 1000°C für zwei HDPE-Proben, die Unterschiede in den Temperaturen des thermischen Abbaus zeigen. HDPE B lässt sich leichter und schneller beschriften als HDPE A.

Primäre Formgebungsprozesse

Nach Abschluss der „laseroptimierten" Materialwissenschaft (einschließlich der Festlegung von optimalem Kontrast, Farbton und Laser-Setup-Parametern) folgt als nächster Schritt ein Formversuch mit dem tatsächlichen Serienwerkzeug beim korrekten Letdown-Verhältnis. Dieser Schritt ist entscheidend, um eine gleichmäßige Dispersion und Verteilung der laseroptimierten Farbmatrix sicherzustellen. Nach dem Formen werden die tatsächlichen Produktbauteile lasermarkiert, um die ursprünglichen Ergebnisse zu bestätigen.

Eine Technik besteht darin, den strahlgeführten Laser so zu programmieren, dass er die gesamte Produktoberfläche kontinuierlich markiert (scannt). Die Abbildung links zeigt (von links nach rechts) einen spritzgegossenen Schreibstift mit Gold-auf-Schwarz-Laserbeschriftung (links), die beiden mittleren Bilder zeigen eine schlechte Farbverteilung, und ganz rechts ist eine hervorragend gleichmäßige Verteilung zu sehen.

Verarbeitungshinweise

Bei der Additivbeladung bzw. Farbabstimmungschemie kommt es nicht selten vor, dass ein fertiges Produkt weniger Laseradditiv enthält als rechnerisch vorgesehen. Dieses Problem hängt fast immer mit einer ungleichmäßigen Verteilung während der Extrusion oder des Formens zusammen. Einfache Anpassungen an der Formmaschine, wie eine Erhöhung des Staudrucks und der Schneckendrehzahl, lösen die meisten Probleme. Eine homogene Verteilung/Dispersion der Laseradditive in jedem Bauteil ist entscheidend, um eine optimale Beschriftungsleistung zu erzielen. Bei Extrusions-, Spritzguss- und Thermoformprozessen liefert vorcompoundiertes Precolor-Material im Vergleich zu Farbkonzentrat eine bessere Gleichmäßigkeit. Manuelles Mischen sollte vermieden werden. Formfüllung sowie Anschnitttyp und -lage sind wichtige Faktoren.

Nicht alle Laser sind gleich! Die Hardware- und Softwarekomponenten, die ein Laserhersteller in seine Systeme integriert, führen zu erheblichen Unterschieden bei Beschriftungsqualität, Geschwindigkeit und Vielseitigkeit. Bei der Beschaffung von Lasersystemen ist zu beachten, dass es keine einzige universelle Lösung gibt. Jede Anwendung ist einzigartig in Bezug auf die Zusammensetzung und Farbe des Kunststoffsubstrats, die Beschriftungsqualität, die Geschwindigkeit, die Lasereffizienz, den Kontrast (dunkel-auf-hell, hell-auf-dunkel oder farbig) sowie die Gesamtsystemkosten.

Der Strahlqualitätsmodus bezieht sich auf die Energieverteilung innerhalb des Laserstrahls und ist entscheidend für die Beschriftungsleistung. Hersteller liefern Laser als Multimode (MM), TEM00 (Transversal-Elektromagnetischer Modus) oder alles dazwischen, einschließlich Low-Order-Mode (LOM). Diese Ausgabemodi hängen unter anderem mit der Strahldivergenz und der Leistungsverteilung über den Durchmesser des Laserstrahls zusammen.

Ein TEM00-Laserstrahl lässt sich auf den kleinsten Punkt fokussieren, den die Fokussieroptik zulässt, wobei die Energieverteilung in einem TEM00-Laserstrahl in der Mitte am stärksten ist und gleichmäßig zu den Rändern hin abnimmt. TEM00-Laser bieten die höchste Strahlqualität. Multimode(MM)-Laser bieten die schlechteste Strahlqualität. Siehe Abbildung unten. Low-Order- und TEM00-Modus-Laser eignen sich besonders gut für die schnelle Vektorbeschriftung von einstrichigen alphanumerischen Zeichen, gefüllten True-Type-Schriften und komplexen Grafiken, da sie einen kleinen fokussierten Punkt mit sehr hoher Leistungsdichte erzeugen können. Dies führt zu einer sehr schmalen Linie mit klar definierten Kanten, die schnell gezeichnet werden kann. Für die meisten Kunststoffanwendungen sind Laserstrahlen nahe TEM00 oder TEM00 optimal.

Strahlgeführte Nd:YAG-Lasermarkierer (mit Bogenlampen- oder Dioden-Lichtquellen) nutzen Spiegel, die auf schnellen, computergesteuerten Galvanometern montiert sind, um den Laserstrahl über die zu markierende Oberfläche zu führen – ähnlich wie beim Schreiben mit Bleistift und Papier.

Jedes Galvanometer – eines für die Y-Achse und eines für die X-Achse – erzeugt die Strahlbewegung innerhalb des Beschriftungsfelds. Eine Flachfeldlinsenbaugruppe fokussiert das Laserlicht, um eine hohe Leistungsdichte auf der Substratoberfläche zu erzielen. Die Abbildung rechts zeigt ein optisches Strahlführungssystem mit computergesteuerten Galvanometern.

Grundsätzlich unterscheiden sich Faserlaser von anderen Festkörper-Beschriftungslasern. Bei Faserlasern befindet sich das aktive Medium, das den Laserstrahl erzeugt, in einem speziellen Lichtwellenleiterkabel. Im Gegensatz zu fasergekoppelten Lasern verläuft der gesamte Strahlengang bis zur Strahlformungsoptik innerhalb des Lichtwellenleiterkabels.

Die Fortschritte in der Lasertechnologie waren maßgeblich für die rasche Entwicklung der neuesten Generation FDA-zugelassener Laseradditive. Das Aufkommen von Nanosekunden-Ytterbium-Faserlasern zählt zu den bedeutendsten Fortschritten für Beschriftung, Schweißen und Schneiden. Grundsätzlich unterscheiden sich Faserlaser von anderen Festkörper-Beschriftungslasern. Bei Faserlasern befindet sich das aktive Medium, das den Laserstrahl erzeugt, in einem speziellen Lichtwellenleiterkabel. Im Gegensatz zu fasergekoppelten Lasern verläuft der gesamte Strahlengang bis zur Strahlformungsoptik innerhalb des Lichtwellenleiterkabels.

Faserlaser bieten im Vergleich zu Nd:YAG-Lasern eine überlegene Strahlqualität und Helligkeit. Eine Kennzahl für die Strahlqualität ist M2. Je kleiner der M2-Wert, desto besser die Strahlqualität, wobei M2 = 1 den idealen Gauß'schen Laserstrahl darstellt. Ein Laser mit überlegener Strahlqualität lässt sich auf einen kleinen Punkt fokussieren, was zu einer hohen Energiedichte führt. Fest- und variabelgepulste (MOPA) Faserlaser mit einer Pulsenergie bis zu 1 mJ und hoher Leistungsdichte können viele historisch schwer zu beschriftende Polymere markieren. Auch Vanadat-Laser besitzen einen kleinen M2-Wert mit kürzerer Pulsbreite als Festfaser- und YAG-Laser. Die Pulsdauer beeinflusst den Grad der Wärmeentwicklung und Karbonisierung im Material. Eine kürzere Pulsbreite kann bei empfindlichen Polymeranwendungen von Vorteil sein.

IPG Photonics, ein führender Entwickler und Hersteller von Hochleistungs-Faserlasern, bietet sowohl Festpuls- (manchmal auch als „Q-Switch" bezeichnet) als auch variable Kurzpuls(MOPA)-Laser an. Die Anwendungsentwicklung ist hochspezifisch. Die Wahl des zu integrierenden Lasertyps richtet sich nach den Ausgabeeigenschaften des Lasers im Zusammenspiel mit dem optimierten Polymermaterial. Siehe die Diagramme unten, die die zeitlichen Pulsformen von Ytterbium-Faserlasern mit fester und variabler (MOPA) Pulslänge zeigen – IPG Photonics.

Abbildung 1. Zeitliche Pulsform eines IPG-Festpulslasers bei 100 ns Pulslänge

Beim Einrichten eines Festpuls-Faserlasers für die Beschriftung müssen zwei Parameter eingestellt werden.

1) Pulswiederholrate (oft auch als Pulsfrequenz bezeichnet)

2) Pumpleistung in Prozent (100 Prozent entsprechen der maximal möglichen elektrischen Eingangsleistung an die Pumpdioden)

Abbildung 2. Zeitliche Pulsform eines IPG-MOPA-Lasers bei 4 ns Pulslänge

Beim Einrichten eines variablen Kurzpuls-MOPA-Faserlasers für die Beschriftung werden drei Parameter eingestellt.

1) Pulsdauer (oft auch als Pulslänge bezeichnet)

2) Pulswiederholrate (Pulsfrequenz)

3) Pumpleistung in Prozent (100 Prozent entsprechen der maximal möglichen elektrischen Eingangsleistung an Pumpdioden)

Für beide Diagramme auf der vorherigen Seite bestimmt die jeweilige Kombination der Parametereinstellungen die Ausgabeeigenschaften des Laserstrahls, nämlich die Pulsenergie, die Spitzenleistung (der höchste Momentanwert der Pulsenergie, J/Pulsdauer) und die Durchschnittsleistung (Durchschnittsleistung in Watt = Pulsenergie in Joule x Pulswiederholrate in Hz).

Pulswiederholrate und Spitzenleistungsdichte sind entscheidende Parameter für die Ausbildung der Markierung sowie für optimalen Kontrast und optimale Geschwindigkeit. Die Kurven von Leistung gegenüber Pulswiederholrate verlaufen umgekehrt proportional zueinander. Hohe Spitzenleistung bei niedriger Frequenz erhöht die Oberflächentemperatur schnell und verdampft das Material, wobei nur minimal Wärme in das Substrat eingeleitet wird. Mit steigender Pulswiederholrate erzeugt eine geringere Spitzenleistung nur minimale Verdampfung, leitet jedoch mehr Wärme ein. Weitere Einflussfaktoren auf Beschriftungskontrast und -qualität sind selbstverständlich die Strahlgeschwindigkeit und der Abstand der Vektorlinien.

Die „On-the-Fly"-Laserbeschriftung erfolgt an geformten und extrudierten Produkten wie Draht/Kabel, Schläuchen und Rohren. Die Beschriftungsgeschwindigkeiten für synthetische Polyolefin-Weinkorken und Unterdeckel-Promotions auf linerlosen Getränkeverschlüssen erreichen bis zu 2,000 Stück pro Minute für alphanumerischen Text und Grafiken. Die Beschriftungsgeschwindigkeit hängt von vielen Variablen ab, darunter Polymertyp, Substratfarbe, Art und Beladungsgrad des Laseradditivs, Kabelgröße (Gewicht), Lasertyp und -leistung, Software, Anzahl der alphanumerischen Zeichen, Texthöhe, Länge der Textzeichenfolge, Abstand zwischen den Zeichen, Barcode/Data-Matrix, Logos/Grafiken, einstrichige oder gefüllte True-Type-Schriften, Füllrichtung sowie durchgehender oder wiederholter Text. Der Einsatz des richtig formulierten Additiv-Farbmittels stellt sicher, dass die „Leistungsdichte" an der Markierungsoberfläche nicht der limitierende Faktor ist. Stattdessen arbeiten die strahlgeführten Galvanometer mit maximaler Geschwindigkeit.

Aufgrund der Komplexität der Faktoren, die die On-the-Fly-Produktionsbeschriftung beeinflussen, muss jede Anwendung genau untersucht werden. Es gibt kaum verallgemeinerbare Regeln. Zur allgemeinen Orientierung betrachten Sie jedoch folgendes Nylon-Polymer-Beispiel: 50-Watt-Faserlaser, 254mm-Flachfeldlinse, 100 alphanumerische Zeichen, 2mm Höhe, mit einer wiederholten Textzeichenfolgenlänge von 14.68 Zoll und einer Beschriftungszeit von 0.232 Sekunden. Die berechnete Geschwindigkeit beträgt etwa 315 laufende Fuß pro Minute.

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