Laserbestrahlungsstärke
Kernaussagen
- Die Bestrahlungsstärke ist die Leistung geteilt durch die Fläche und wird in Watt pro Quadratzentimeter im Fokusfleck angegeben.
- Die Fleckgröße ist wichtiger als die reine Leistung. Ein kleinerer Fleck bündelt dieselben Watt zu einer weit höheren Intensität.
- Die Strahlqualität bestimmt das erreichbare Minimum. Ein niedriger M2-Wert ermöglicht engere Fokussierung und höhere Bestrahlungsstärke.
- Zu hoch schädigt, zu niedrig beschriftet nichts: Das nutzbare Fenster ist an beiden Enden begrenzt.
Laserbestrahlungsstärke
Die Laserbestrahlungsstärke ist die optische Leistung geteilt durch die Fläche, auf die sie einwirkt, angegeben in Watt pro Quadratzentimeter (W/cm²). Sie beschreibt, wie stark der Strahl am Werkstück gebündelt ist. Bei Kunststoffen entscheidet die Bestrahlungsstärke und nicht die Nennleistung des Lasers darüber, ob eine Beschriftung entsteht, durch welchen Mechanismus sie entsteht und ob das umgebende Material unbeschadet bleibt.
Bestrahlungsstärke = Leistung (W) ÷ Fleckfläche (cm²)
Warum die Nennleistung in die Irre führt
Die Fleckfläche wächst mit dem Quadrat des Fleckdurchmessers. Halbiert man den fokussierten Fleck, vervierfacht sich daher bei gleicher Leistung die Bestrahlungsstärke. Zwei Beschriftungssysteme mit je 30 W, aber unterschiedlicher Strahlqualität, unterschiedlichen Strahlaufweitern und unterschiedlichen F-Theta-Brennweiten können am Bauteil Bestrahlungsstärken liefern, die sich um eine Größenordnung unterscheiden.
Das ist der praktische Grund, warum sich eine Beschriftungsrezeptur nicht allein durch Übernahme von Leistung und Geschwindigkeit von einer Maschine auf eine andere übertragen lässt. Es erklärt auch, warum ein großes Beschriftungsfeld „für mehr Flexibilität“ die Beschriftungsleistung unbemerkt verschlechtert: Eine längere Brennweite erzeugt einen größeren Fleck und eine geringere Leistungsdichte.
Bestrahlungsstärke und Fluenz
Beide Größen werden regelmäßig verwechselt, beschreiben aber unterschiedliche Dinge:
| Bestrahlungsstärke | Fluenz | |
|---|---|---|
| Größe | Leistung pro Flächeneinheit | Energie pro Flächeneinheit |
| Einheiten | W/cm² | J/cm² |
| Beschreibt | Wie hart der Strahl auftrifft | Gesamte abgegebene Dosis |
| Bestimmt | Ob eine Schwelle überschritten wird | Wie viel Material reagiert |
Bei gepulsten Beschriftungslasern verschärft sich der Unterschied noch, denn die Spitzenbestrahlungsstärke innerhalb eines Nanosekundenpulses kann um viele Größenordnungen über dem Mittelwert liegen. Ein 30-W-Laser, der 100-ns-Pulse mit 20 kHz aussendet, hat eine mittlere Leistung von 30 W, aber eine Spitzenleistung im zweistelligen Kilowattbereich. Diese Spitze treibt den Beschriftungsmechanismus an; die mittlere Leistung bestimmt vor allem, wie viel Abwärme sich im Bauteil ansammelt.
Das Prozessfenster bei Polymeren
Kunststoffe haben ein engeres nutzbares Fenster als Metalle, das an beiden Enden begrenzt ist:
- Unterhalb der Schwelle erwärmt sich die Oberfläche und verfärbt sich vielleicht schwach, doch es entsteht keine dauerhafte Beschriftung. Höhere Geschwindigkeit oder geringere Leistung verschieben den Prozess weiter in diesen Bereich.
- Im Fenster erzeugt kontrollierte Karbonisierung, Aufschäumung oder Farbänderung den gewünschten Kontrast.
- Oberhalb des Fensters kommt es zu rascher Verdampfung, Verbrennung, Aufschmelzung, verkohlten Rändern, inneren Spannungen und Maßverzug.
Die Lage des Fensters hängt vom Harz, seinem Additivpaket und seinen Farbmitteln ab. Deshalb gehört eine validierte Rezeptur zu einer bestimmten Materialsorte und nicht zu einer Polymerfamilie im Allgemeinen.
Steuerung der Bestrahlungsstärke in der Praxis
- Die Fokuslage ist der unmittelbarste Hebel. Gezieltes Defokussieren vergrößert den Fleck und senkt die Bestrahlungsstärke stark. Das ist eine legitime Technik, um eine zu aggressive Beschriftung abzuschwächen, und eine häufige unbeabsichtigte Ursache für eine schwache Beschriftung, wenn die Bauteilhöhe variiert.
- Die Strahlqualität (M2) bestimmt den kleinsten erreichbaren Fleck. Ein niedriger M2-Wert ermöglicht hohe Bestrahlungsstärke ohne hohe Leistung.
- Die Pulsdauer verändert bei einer MOPA-Quelle direkt die Spitzenbestrahlungsstärke, während die mittlere Leistung konstant bleibt. Das ist der sauberste Weg, die Intensität zu erhöhen, ohne Wärme einzutragen.
- Die mittlere Leistung sollte in der Regel die letzte Stellgröße sein, da ihre Erhöhung neben der Intensität auch die Erwärmung des gesamten Bauteils steigert.
Ein durchgerechnetes Beispiel
Warum die Nennleistung irreführt, wird offensichtlich, sobald man rechnet. Nehmen Sie eine 20-W-Quelle und verändern Sie nur den Fokus:
| Bedingung | Spotdurchmesser | Spotfläche | Bestrahlungsstärke bei 20 W |
|---|---|---|---|
| Gut fokussiert, Linse mit kurzer Brennweite | 30 µm | 7,1 × 10-6 cm² | Ca. 2,8 × 106 W/cm² |
| Fokussiert, Linse mit längerer Brennweite | 60 µm | 2,8 × 10-5 cm² | Ca. 7,1 × 105 W/cm² |
| Leicht defokussiert | 120 µm | 1,1 × 10-4 cm² | Ca. 1,8 × 105 W/cm² |
| Stark defokussiert | 300 µm | 7,1 × 10-4 cm² | Ca. 2,8 × 104 W/cm² |
Verdoppelt man den Fleckdurchmesser, sinkt die Bestrahlungsstärke auf ein Viertel, da die Fläche mit dem Quadrat des Durchmessers wächst. Auf einer Maschine bei einer Leistungseinstellung ist allein durch Fokus und Linsenwahl eine 100-fache Änderung der zugeführten Intensität möglich. Deshalb versagt eine Rezeptur, die auf einem System funktioniert, auf einem anderen mit identischer Nennleistung, und deshalb ist der Fokus das Erste, was man prüft, wenn sich eine Beschriftung verschlechtert.
Messen, was tatsächlich ankommt
Die Bestrahlungsstärke wird berechnet und nicht am Bedienfeld abgelesen. Beide Größen der Rechnung müssen daher bekannt sein und dürfen nicht angenommen werden:
- Messen Sie die Leistung am Werkstück, nicht an der Quelle. Ein Leistungsmesser unter dem Scankopf erfasst die Transmissionsverluste durch Strahlaufweiter, Galvanometerspiegel, F-Theta-Linse und Schutzfenster. Diese sind zusammen selten vernachlässigbar und werden mit verschmutzenden Optiken schlechter.
- Bestimmen Sie die Fleckgröße, statt die Spezifikation zu zitieren. Ein Strahlprofilmesser liefert sie direkt. Alternativ lokalisiert eine Brennfleckserie auf Thermopapier oder eloxiertem Aluminium durch den Fokus hindurch die Strahltaille und liefert eine brauchbare Schätzung.
- Berücksichtigen Sie die Strahlqualität. Der erreichbare minimale Fleck skaliert mit M2; zwei Quellen mit gleicher Leistung und gleicher Brennweite erzeugen daher nicht dieselbe Bestrahlungsstärke, wenn sich ihre Strahlqualität unterscheidet.
- Prüfen Sie nach jeder optischen Änderung erneut. Eine ausgetauschte Linse, ein neues Schutzfenster oder ein neu kalibriertes Feld verschieben die tatsächliche Bestrahlungsstärke, ohne dass sich ein einziger Wert der Beschriftungsrezeptur ändert.
- Unterscheiden Sie zwischen Mittelwert und Spitze. Bei einer gepulsten Quelle treibt die Spitzenbestrahlungsstärke während des Pulses die Materialreaktion an, und sie kann um Größenordnungen über dem Mittelwert liegen, den der Leistungsmesser anzeigt.
Beschriftungsfehler über die Bestrahlungsstärke diagnostizieren
| Symptom | Deutung der Bestrahlungsstärke | Maßnahme |
|---|---|---|
| Keine oder nur eine schwache, uneinheitliche Beschriftung | Unterhalb der Materialschwelle | Vor einer Leistungserhöhung den Fokus prüfen. Ein defokussierter Strahl ist die häufigste und am günstigsten zu behebende Ursache. |
| Beschriftung in der Feldmitte gut, an den Rändern schwach | Bestrahlungsstärke fällt mit der Feldposition ab | Feldebenheit oder Fokusebenenfehler. Bei einem dreidimensionalen Bauteil kann ein fester Fokus die Bestrahlungsstärke nicht über die gesamte Oberfläche halten. |
| Verbrennen, Schmelzen oder Blasenbildung | Oberhalb des nutzbaren Fensters | Geschwindigkeit erhöhen oder leicht defokussieren, statt die Leistung zu senken, was die Beschriftung an anderer Stelle unter die Schwelle drücken kann. |
| Rezept versagt auf einer baugleichen Maschine | Unterschiedliche Spotgröße oder optische Transmission | Leistung am Werkstück und Spotgröße an beiden Maschinen messen. Gleiche Nennleistung beweist nichts. |
| Allmähliche Verschlechterung über Monate | Transmissionsverluste durch verschmutzende Optik | Die am Werkstück gemessene Leistung zeigt den Rückgang, den die Frontanzeige nicht zeigt. |
| Beschriftungsqualität variiert mit der Bauteilhöhe in der Vorrichtung | Bauteile liegen außerhalb der Schärfentiefe | Höhenkontrolle der Vorrichtung verbessern oder einen Dreiachs-Kopf mit dynamischem Fokus spezifizieren. |
Verwandte Begriffe und weiterführende Informationen
- Prozessparameter, die die Beschriftungsqualität beeinflussen
- Strahlgelenkte Laser
- Faserlaser
- Lösungen für die Laserbeschriftung von Kunststoffen
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Häufig gestellte Fragen
Was ist die Laserbestrahlungsstärke?
Die Leistung eines Laserstrahls pro Flächeneinheit, üblicherweise in Watt pro Quadratzentimeter angegeben und im Brennpunkt bzw. Strahlfleck gemessen. Sie bestimmt die Intensität der Energie, die auf das Material trifft, und damit, was geschieht, wenn der Strahl auf die Oberfläche trifft.
Was ist der Unterschied zwischen Bestrahlungsstärke und Fluenz?
Die Bestrahlungsstärke ist die Leistung pro Flächeneinheit, im Wesentlichen die Intensität. Die Fluenz ist die Energie pro Flächeneinheit, gemessen in Joule pro Quadratzentimeter, und beschreibt die insgesamt zugeführte Dosis. Die Bestrahlungsstärke bestimmt, wie hart der Strahl auftrifft; die Fluenz bestimmt, wie viel Energie übertragen wird.
Welche Faktoren verändern die Bestrahlungsstärke?
Laserleistung, Fokusfleckgröße, Strahlqualität und Wellenlänge. Mehr Leistung erhöht die Bestrahlungsstärke, ein kleinerer Fleck bündelt sie, und ein niedriger M2-Wert erlaubt engere Fokussierung. Die Wellenlänge spielt eine Rolle, weil sie sowohl die Absorption als auch die erreichbare Fokussierung beeinflusst.
Warum führt die reine Laserleistung in die Irre?
Weil die Leistungsdichte an der Beschriftungsfläche die Beschriftung erzeugt, und diese unterscheidet sich von der Nennleistung des Lasers. Zwei 50-W-Systeme mit unterschiedlicher Strahlqualität und Optik können am Werkstück sehr unterschiedliche Bestrahlungsstärken liefern.
Was passiert, wenn die Bestrahlungsstärke falsch eingestellt ist?
Zu hoch führt zu rascher Erwärmung und Verdampfung, was Risse, übermäßiges Verbrennen oder Schäden über die vorgesehene Beschriftung hinaus verursacht. Zu niedrig kann eine langsame, schwache oder gar keine sichtbare Beschriftung ergeben. Beide Fehlerarten sind bei nicht optimierten Prozessen häufig.
Warum liefert dieselbe Leistung auf zwei Maschinen unterschiedliche Ergebnisse?
Weil die Bestrahlungsstärke von der Fleckfläche abhängt und nicht von der Nennleistung. Verdoppelt man den Fleckdurchmesser, sinkt die zugeführte Intensität auf ein Viertel. Brennweite der Linse, Strahlqualität und Fokuslage können daher bei einer Leistungseinstellung einen hundertfachen Unterschied dessen bewirken, was tatsächlich das Material erreicht. Zwei Maschinen mit identischer Nennleistung sind nicht gleichwertig, solange ihre tatsächliche Fleckgröße und optische Transmission nicht übereinstimmen.
Wie wird die tatsächlich zugeführte Bestrahlungsstärke gemessen?
Messen Sie die Leistung am Werkstück mit einem Leistungsmesser unter dem Scankopf, der die Verluste durch Strahlaufweiter, Spiegel, F-Theta-Linse und Schutzfenster erfasst. Bestimmen Sie dann die Fleckgröße mit einem Strahlprofilmesser oder schätzen Sie sie anhand einer Brennfleckserie durch den Fokus. Beide Größen müssen gemessen werden: Wer nur die Quellenangabe und die Linsenspezifikation zitiert, erhält eine Zahl, die weit von der Realität entfernt sein kann.
Was sollte zuerst geprüft werden, wenn sich eine Beschriftung verschlechtert?
Der Fokus. Er ist der größte einzelne Hebel für die Bestrahlungsstärke und das, was am häufigsten driftet, sei es durch Verschleiß der Vorrichtung, Schwankungen der Bauteilhöhe oder eine optische Änderung. Mehr Leistung zur Kompensation eines defokussierten Strahls wirkt kurz und macht danach alles schlimmer, da sie die Kluft zwischen Feldmitte und Feldrand vergrößert.
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