Kaltlaserbeschriftung

Kaltlaserbeschriftung

Das Wichtigste in Kürze

• Zwei unterschiedliche Verfahren teilen sich den Namen: photochemische Ultraviolett-Beschriftung und athermische Ablation mit Ultrakurzpulsen.
• Für Kunststoffe ist der Standardweg UV bei 355 nm, das Polymerbindungen direkt aufbricht, statt das Material zu erhitzen.
• Auflösung im Mikrometerbereich ohne Verkohlung, Verfärbung oder Ruß.
• Unverzichtbar dort, wo Wärme inakzeptabel wäre: bei medizinischen Implantaten, Leiterplatten, Dünnschichten und Präzisionskunststoffen.

Kaltlaserbeschriftung

Die Kaltlaserbeschriftung nutzt kurzwelliges ultraviolettes Licht, typischerweise mit 355 nm, um ein Polymer durch direktes Aufbrechen chemischer Bindungen zu beschriften, statt das Material bis zur Zersetzung zu erhitzen. Das Verfahren wird oft als athermische oder photochemische Beschriftung bezeichnet. Es ist nicht buchstäblich kalt, doch die Wärmeeinflusszone ist so klein, dass thermisch empfindliche Teile ohne Schmelzen, Verkohlen oder Verzug beschriftet werden können.

Die physikalische Grundlage

Die Photonenenergie steigt mit sinkender Wellenlänge. Ein Infrarotphoton mit 1064 nm trägt etwa 1,2 eV, viel zu wenig, um eine kovalente Bindung aufzubrechen, sodass seine Energie einfach zu Wärme wird. Ein ultraviolettes Photon mit 355 nm trägt etwa 3,5 eV, vergleichbar mit der Dissoziationsenergie einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung im Polymerrückgrat.

Bei dieser Energie kann das absorbierte Photon die Polymerkette direkt trennen. Material wird durch photolytische Bindungsspaltung abgetragen oder verändert, mit nur geringem thermischen Anteil. Daraus ergeben sich zwei Folgen, die der eigentliche Grund für die Existenz der Technik sind:

• Eine sehr kleine Wärmeeinflusszone, also kein Schmelzrand, kein verkohlter Hof, keine Rissbildung (Crazing) und kein Maßverzug.
• Starke Absorption durch die meisten Polymere. Nahezu alle organischen Polymere absorbieren im UV gut, auch solche, die bei 1064 nm praktisch transparent sind. Das bedeutet kontrastreiche Beschriftungen auf naturfarbenen, klaren und hellen Harzen, ohne ein Laseradditiv einzucompoundieren.

Kaltbeschriftung im Vergleich zur Infrarotbeschriftung

Wo sie spezifiziert wird

• Medizinprodukte: UDI-Kennzeichnungen, die Autoklav-, Gamma- oder EtO-Sterilisation überstehen müssen, ohne das Substrat zu beeinträchtigen und ohne ein Additiv, das die Biokompatibilitätszulassung erschweren würde.
• Dünnwandige Bauteile und Folienkomponenten, bei denen Infrarotbeschriftung das Teil verformen oder perforieren würde.
• Transparente und helle Polymere, bei denen Infrarotbeschriftung kaum oder keinen Kontrast liefert; siehe Laserbeschriftung von klaren und transparenten Kunststoffen.
• Feine Codes und Mikrobeschriftung, bei denen eine enge Wärmeeinflusszone die Zellendefinition erhält, auf die die industrielle Bildverarbeitung angewiesen ist.
• Additivfreie Anwendungen, bei denen regulatorische, lebensmittelrechtliche oder optische Anforderungen das Einarbeiten eines Absorbers ausschließen.

Die Quelle ist normalerweise ein frequenzverdreifachter Vanadat-Laser (Nd:YVO4). Den Vorteilen stehen höhere Investitionskosten, geringerer Durchsatz und die begrenzte Lebensdauer der Frequenzkonversionsoptik gegenüber. Für pigmentierte und gefüllte technische Harze, die sich thermisch bereits gut beschriften lassen, bleibt ein Faserlaser die wirtschaftlichere Antwort; der Vergleich wird in UV-Laserbeschriftung im Vergleich zur Faserlaserbeschriftung ausgeführt.

Zwei Wege zur Kaltbeschriftung

Der Begriff umfasst zwei verschiedene Technologien, und ihre Verwechslung führt dazu, dass eine teure Maschine für eine Aufgabe spezifiziert wird, die die günstigere gut erledigt. Beide vermeiden eine thermische Beschriftung, aber mit unterschiedlicher Physik:

Für die große Mehrheit der Polymeranwendungen ist der Ultraviolett-Weg die richtige Antwort. Ein Ultrakurzpulssystem ist durch eine besondere Anforderung gerechtfertigt: ein Merkmal im Submikrometerbereich, eine Mehrschichtfolie, bei der eine Schicht beschriftet werden muss, ohne die nächste zu beeinträchtigen, oder ein optisches Bauteil, bei dem jegliche Schädigung unter der Oberfläche ein Ausschlusskriterium ist.

Eine Kaltbeschriftung an einem Medizinprodukt qualifizieren

Die Kaltbeschriftung wird für Medizinprodukte häufiger spezifiziert als in jeder anderen Branche, weil sie eine dauerhafte eindeutige Produktkennung (Unique Device Identifier) ohne ein Additiv liefert, das eine Biokompatibilitätsfrage wieder aufwerfen würde. Damit liegt die Beschriftung innerhalb der Geräteakte (Device Master Record), sodass die Qualifizierung dokumentiert und nicht nur erfolgreich sein muss:

• Beschriften Sie auf dem Werkstoff des fertigen Produkts, in seiner Endfarbe und mit dem Mahlgutanteil, mit dem die Produktion tatsächlich fahren wird. Eine Qualifizierung auf einer naturfarbenen Platte sagt über ein pigmentiertes Formteil sehr wenig aus.
• Bewerten Sie den Code nach Klassen, statt ihn nur zu inspizieren. Unique Device Identifier werden maschinell gelesen, daher gehört das Abnahmekriterium für ein zweidimensionales Symbol in die Begriffe der ISO/IEC 15415. Legen Sie Mindestklasse, Apertur und Beleuchtung in der Prüfmethode fest, nicht nur in der Bedieneranweisung.
• Bewerten Sie nach der Sterilisation erneut. Dampfautoklav, Gamma und Ethylenoxid beeinflussen Polymeroberflächen jeweils unterschiedlich. Klassifizieren Sie das Symbol nach der vollen validierten Zyklenzahl und nicht nach einem einzigen Durchlauf.
• Bestätigen Sie, dass keine Schädigung unter der Oberfläche vorliegt. Schneiden Sie Proben an und untersuchen Sie sie auf Rissbildung oder Trübung unter der Beschriftung, insbesondere bei Polycarbonat und Acryl, wo eine Schädigung von der Oberfläche aus nicht sichtbar sein muss.
• Grenzen Sie den Auslöser für die Requalifizierung ein. Harzchargenwechsel, Farbmittelwechsel, Drift der Quellenleistung und Optikaustausch sollten jeweils als Ereignisse benannt werden, die eine erneute Bewertung der Beschriftung erfordern.

Kaltbeschriftungen: Fehlersuche

Verwandte Begriffe und weiterführende Lektüre

• UV-Laserbeschriftung im Vergleich zur Faserlaserbeschriftung
• Vanadat-Laser
• Pharmazeutische und medizinische Fertigung
• Lösungen zur Laserbeschriftung von Kunststoffen
• Beschleunigte Alterung

Anwendung in der Produktion

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Häufig gestellte Fragen

Was macht die Kaltlaserbeschriftung „kalt“?

Dass die Beschriftung ohne nennenswerte Wärme entsteht. Zwei unterschiedliche Mechanismen erreichen das. Die Ultraviolett-Beschriftung bei 355 nm trägt genug Photonenenergie, um Polymerbindungen direkt aufzubrechen, sodass die Veränderung photochemisch statt thermisch ist. Die Ultrakurzpuls-Beschriftung mit Pikosekunden- oder Femtosekundenquellen bringt Energie schneller ein, als die Wärme aus der Wechselwirkungszone abfließen kann. Keine von beiden ist buchstäblich kalt, doch bei beiden ist die Wärmeeinflusszone so klein, dass thermisch empfindliche Teile außerhalb des vorgesehenen Bereichs unversehrt bleiben.

Ist die Kaltlaserbeschriftung besser als die herkömmliche Laserbeschriftung?

Das hängt von der Anwendung ab. Die Kaltlaserbeschriftung ist überlegen bei empfindlichen, wärmeempfindlichen oder mikroskaligen Teilen, bei denen thermische Schäden inakzeptabel wären. Für die allgemeine Serienbeschriftung auf robusten Substraten ist die herkömmliche thermische Beschriftung schneller und deutlich wirtschaftlicher.

Welche Laser werden für die Kaltbeschriftung verwendet?

Für Kunststoffe überwiegend eine frequenzverdreifachte Vanadat-Quelle bei 355 nm; sie ist der wirtschaftliche Weg und beschriftet die meisten Polymere ohne Additiv. Auch Pikosekunden- und Femtosekundenquellen erzeugen Kaltbeschriftungen, indem sie die Wärmediffusion überholen statt photochemisch zu wirken, und werden spezifiziert, wo selbst die kleine ultraviolette Wärmeeinflusszone zu groß ist oder das Substrat im Ultravioletten nicht sinnvoll absorbiert. Sie kosten deutlich mehr.

Lässt sich die Kaltlaserbeschriftung auf Kunststoffen einsetzen?

Ja, und sie eignet sich besonders für Kunststoffe, die unter Hitze zum Schmelzen oder Verfärben neigen. Sie erzeugt scharfe, kontrastreiche Beschriftungen auf Werkstoffen wie Polyimid, Polycarbonat und ABS, die empfindlich auf Wärmeeintrag reagieren.

Ist die Kaltlaserbeschriftung dauerhaft?

Ja. Die erzeugten Beschriftungen sind dauerhaft und abriebfest und werden von Feuchtigkeit, Chemikalien oder UV-Einwirkung nicht beeinträchtigt, da die Veränderung im Material selbst und nicht auf seiner Oberfläche erfolgt.

Ist Kaltbeschriftung dasselbe wie Ultrakurzpuls-Beschriftung?

Nicht ganz: Ultrakurzpuls-Beschriftung ist einer von zwei Wegen zu einer Kaltbeschriftung. Für Kunststoffe ist der häufigere Weg die Ultraviolett-Beschriftung bei 355 nm, die Wärme vermeidet, indem sie Bindungen photochemisch aufbricht, statt die Wärmediffusion zu überholen. Pikosekunden- und Femtosekundensysteme erreichen ein ähnliches Ergebnis zu deutlich höheren Kosten und werden spezifiziert, wenn die Anwendung sie wirklich benötigt.

Erübrigt die Kaltbeschriftung ein Laseradditiv?

Oft, aber nicht immer. Die meisten Polymere absorbieren im Ultravioletten weit stärker als bei 1064 nm, weshalb klare und helle Harze, die sich mit einem Faserlaser nicht beschriften lassen, unter Ultraviolett problemlos markieren. Der Kontrast auf naturfarbenen Polyolefinen bleibt bescheiden; wo ein kontrastreicher Code gefordert ist, kann ein Additiv daher weiterhin nötig sein. Prüfen Sie den tatsächlichen Serientyp, statt es anzunehmen.

Wie wird eine Kaltbeschriftung für die UDI eines Medizinprodukts qualifiziert?

Bewerten Sie das Symbol nach ISO/IEC 15415, statt es visuell zu prüfen, beschriften Sie auf dem Werkstoff des fertigen Produkts in seiner Produktionsfarbe und bewerten Sie nach der vollen validierten Sterilisationszyklenzahl erneut. Benennen Sie Harzchargenwechsel, Farbmittelwechsel, Drift der Quellenleistung und Optikaustausch als Auslöser für die Requalifizierung, da alle vier den Beschriftungskontrast verschieben, ohne dass ein Alarm ausgelöst wird.

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