Laserbeschriftbare Kunststoffe

Laserbeschriftbare Kunststoffe

Wichtigste Erkenntnisse

• „Laserbeschriftbar“ bedeutet auf Reaktion hin formuliert, nicht bloß dem Laser ausgesetzt – die Reaktion ist eingebaut.
• Beschriftungen sind dauerhaft und kontrastreich, beständig gegen Verschleiß, Abrieb und Chemikalien und kommen ohne Verbrauchsmaterial aus.
• PC, ABS, Polyamid und Polypropylen sind die wichtigsten laserbeschriftbaren Werkstofffamilien.
• Rückverfolgbarkeit treibt die Verbreitung in Medizinprodukten, Automobilteilen und Elektronik voran.

Laserbeschriftbare Kunststoffe

Laserbeschriftbare Kunststoffe sind Polymere, die bei Einwirkung eines Laserstrahls eine dauerhafte, kontrastreiche Beschriftung erzeugen – entweder durch ihre eigene Chemie oder, weit häufiger, durch ein in das Harz eincompoundiertes laserempfindliches Additiv. Die Beschriftbarkeit ist keine feste Eigenschaft einer Polymerfamilie. Sie ist eine Eigenschaft einer bestimmten Type mit ihren spezifischen Farbmitteln, Füllstoffen und ihrem Additivpaket.

Diese Unterscheidung ist die häufigste Quelle von Enttäuschungen in Laserbeschriftungsprojekten. „Polypropylen lässt sich schlecht beschriften“ ist eine nützliche Verallgemeinerung, doch eine richtig formulierte Polypropylen-Type lässt sich ausgezeichnet beschriften, während eine ungefüllte naturfarbene kaum eine Beschriftung zeigt.

Warum die meisten Polymere bei 1064 nm der Beschriftung widerstehen

Der bewährte Faserlaser emittiert im nahen Infrarot bei 1064 nm. Polymergerüste absorbieren bei dieser Wellenlänge schlecht – die Energie geht weitgehend hindurch, statt an der Oberfläche eingebracht zu werden. Etwas in der Formulierung muss sie aufnehmen. Dieses Etwas ist meist:

• Ruß oder ein anderes dunkles Pigment;
• Glasfasern oder mineralischer Füllstoff;
• Bestimmte Farbmittel, Flammschutzmittel oder Stabilisatoren, die zufällig absorbieren; oder
• Ein eigens entwickeltes Laseradditiv.

Relative Beschriftbarkeit nach Polymerfamilie

Wege, ein Harz beschriftbar zu machen

• Ein Laseradditiv eincompoundieren. Der industrielle Standardweg. Antimondotiertes Zinnoxid, Wismutverbindungen und Glimmerpigmente sind gebräuchlich; der Anteil ist typischerweise so gering, dass mechanische Eigenschaften und Grundfarbe kaum beeinflusst werden. Siehe Intelligente Additive verbessern die Laserbeschriftung von Kunststoffen.
• Ein laserempfindliches Masterbatch verwenden. Praktisch dieselbe Chemie, geliefert zur Zugabe an der Spritzgießmaschine – siehe Laserbeschriftungs-Masterbatch.
• Die Wellenlänge wechseln. Eine UV-Quelle mit 355 nm beschriftet viele Polymere photochemisch ganz ohne Additiv, allerdings zu höheren Kosten und mit geringerer Geschwindigkeit.
• Nutzen, was bereits vorhanden ist. Glasgefüllte und rußpigmentierte Typen lassen sich häufig ganz ohne Neuformulierung akzeptabel beschriften.

Einen Werkstoff qualifizieren

Da die Beschriftbarkeit zur Type und nicht zur Familie gehört, sollte die Qualifizierung stets am tatsächlichen Produktionswerkstoff erfolgen, einschließlich seines realen Farbmittelanteils und eines realistischen Mahlgutanteils. Beschriftungsfarbe, Kontrast und Codelesbarkeit sollten gemessen statt nach Augenmaß beurteilt und das Rezept vor der Freigabe über Harzchargen hinweg validiert werden. Die Überlegungen sind unter Prozessparameter, die die Beschriftungsqualität beeinflussen dargelegt.

Ein Kandidatenharz prüfen

Die Beschriftbarkeit gehört zur Type und nicht zur Familie, daher ist das Screening eine Messaufgabe und keine Ermessensfrage. Ein kompaktes Screening-Protokoll, das die kommerzielle Frage in einer Sitzung beantwortet:

• Spritzen Sie Platten aus dem realen Werkstoff – mit Produktions-Farbmittelanteil, Produktionsfüllstoff und dem Mahlgutanteil, den die Linie tatsächlich fahren wird. Naturfarbene Lieferantenplatten schmeicheln fast jeder Type.
• Fahren Sie eine Leistungs-Geschwindigkeits-Matrix. Ein Raster aus fünf Leistungsstufen gegen fünf Beschriftungsgeschwindigkeiten, jede Zelle ein beschriftetes Feld auf einer Platte, bildet das gesamte Prozessfenster an einem Teil ab und dauert Minuten.
• Messen Sie jede Zelle. Erfassen Sie L* innerhalb und außerhalb der Beschriftung mit einem Spektralphotometer. Eine Matrix nach Augenmaß zu lesen, ist genau der Weg, auf dem ein Rezept am Rand seines Fensters statt in der Mitte landet.
• Suchen Sie das Plateau, nicht den Gipfel. Das beste Rezept ist die Mitte des breitesten Bereichs akzeptablen Kontrasts, denn es überlebt Chargenschwankungen. Die einzelne Zelle mit dem höchsten Kontrast ist oft eine Abbruchkante.
• Prüfen Sie die Unterseite der Beschriftung. Schneiden Sie eine Probe auf. Hoher Oberflächenkontrast durch Schäumung oder Schäden unter der Oberfläche kann eine dünne Wand beeinträchtigen.
• Wiederholen Sie den Versuch an einer zweiten Harzcharge, bevor Sie das Rezept freigeben. Chargenschwankungen bei der Farbmitteldispergierung verschieben den Kontrast stärker, als die meisten erwarten.

Was die Beschriftbarkeit innerhalb einer Type verschiebt

Zwei Chargen des nominell gleichen Werkstoffs können unterschiedlich beschriften. Dies sind die üblichen Gründe, und sie sind es wert, geprüft zu werden, bevor man auf eine Werkstoffänderung schließt:

Abnahmekriterien festlegen

Eine Beschriftbarkeitsspezifikation, die sagt, die Beschriftung müsse lesbar sein, übersteht kein Kundenaudit und keinen Lieferantenstreit. Drei Zahlen machen sie durchsetzbar:

• Ein Mindestkontrastwert – ein genanntes ΔL* zwischen Beschriftung und Substrat, gemessen mit definiertem Gerät und definierter Blende statt nach Augenmaß beurteilt.
• Eine Mindest-Codeklasse, wo die Beschriftung maschinell gelesen wird, nach ISO/IEC 15415 für zweidimensionale Symbole oder ISO/IEC 15416 für lineare Barcodes, wobei Beleuchtung und Blende neben der Klasse angegeben werden.
• Eine Beständigkeitsbedingung, gekoppelt an die reale Einsatzumgebung: den Abriebzyklus, die Lösemittelexposition, das Sterilisationsverfahren oder die Bewitterung, denen das Bauteil tatsächlich begegnet. Dauerhaftigkeitsaussagen, die nie gegen die wahre Bedingung getestet wurden, sind der Ursprung der meisten Feldreklamationen.

Benennen Sie im selben Dokument die Auslöser für eine Requalifizierung – Harzcharge, Farbmittel, Mahlgutanteil, Werkzeugwechsel und Service der Laserquelle verschieben alle das Ergebnis.

Weiterführende Begriffe und Lektüre

• Laseradditive
• Werkstoffkundliche Grundlagen der Laserbeschriftung von Kunststoffen
• Laserbeschriftung von Hochtemperaturkunststoffen
• Lösungen zur Laserbeschriftung von Kunststoffen
• Digitaler Produktpass

Anwendung in der Produktion

The Sabreen Group bietet unabhängige Ingenieurunterstützung beim Screening der Harz-Beschriftbarkeit und bei der Formulierung von Laseradditiven. Ob Sie einen Prozess spezifizieren, einen Werkstoff qualifizieren oder ein Produktionsproblem beheben: Unser Team für Ingenieurdienstleistungen hilft Ihnen gern. Kontaktieren Sie uns, um Ihre Anwendung zu besprechen.

Häufig gestellte Fragen

Was macht einen Kunststoff „laserbeschriftbar“?

Die Formulierung. Der Werkstoff ist so ausgelegt, dass er präzise und effizient auf den Laserstrahl reagiert und kontrastreiche, dauerhafte Beschriftungen ohne Tinten, Etiketten oder Kontakt ermöglicht. Die meisten Basispolymere leisten das von sich aus nicht gut.

Welche Kunststoffe werden am häufigsten lasergekennzeichnet?

Polycarbonat wegen seiner Klarheit und Stabilität; ABS, weit verbreitet in der Unterhaltungselektronik; Polyamid bzw. Nylon, langlebig und im Automobilbau üblich; und Polypropylen. Jeder reagiert anders, und Typen innerhalb derselben Familie können variieren.

Wie dauerhaft ist eine Laserbeschriftung?

Sie ist dauerhaft und beständig gegen Verschleiß, Abrieb und Chemikalien, weil der Kontrast aus einer Veränderung des Polymers selbst und nicht aus einer aufgetragenen Schicht stammt. Es gibt keine Tinte, die abgerieben werden kann, und keinen Klebstoff, der versagen könnte.

Braucht die Laserbeschriftung Verbrauchsmaterial?

Nein. Das ist ein großer Teil ihres Reizes – es werden keine Tinten, Lösemittel, Etiketten oder Folien verbraucht, wodurch laufende Materialkosten, Lagerhaltung, Umrüstabfall und Entsorgung aus dem Beschriftungsschritt vollständig entfallen.

Kann derselbe Laser jeden Kunststoff in einem Produkt beschriften?

Selten ohne Anpassung. Unterschiedliche Polymere und selbst verschiedene Typen absorbieren unterschiedlich, sodass eine Baugruppe aus gemischten Werkstoffen meist Parameteränderungen je Werkstoff und für die schwierigen Substrate mitunter eine andere Wellenlänge oder ein Additiv braucht.

Wie prüfe ich ein Harz auf Beschriftbarkeit ohne langen Versuch?

Spritzen Sie Platten aus dem realen Produktionswerkstoff, beschriften Sie dann ein Raster aus fünf Leistungsstufen gegen fünf Geschwindigkeiten auf einer einzigen Platte und messen Sie L* in jeder Zelle mit einem Spektralphotometer. So wird das gesamte Prozessfenster an einem Teil abgebildet. Wählen Sie die Mitte des breitesten akzeptablen Bereichs statt der einzelnen Zelle mit dem höchsten Kontrast, denn das Plateau übersteht Chargenschwankungen.

Warum beschriften zwei Chargen derselben Type unterschiedlich?

Meist wegen Farbmitteldispergierung, Mahlgutanteil oder Verarbeitungsbedingungen und nicht wegen des Basispolymers. Massetemperatur und Abkühlrate verändern Oberflächenkristallinität und Glanz, was den scheinbaren Kontrast verändert, selbst wenn die Beschriftung selbst identisch ist. Driftet eine Beschriftung und hat sich das Werkstoffzeugnis nicht geändert, prüfen Sie den Verarbeitungsprozess, bevor Sie den Laser anpassen.

Was gehört in eine Spezifikation zur Laserbeschriftung?

Ein Mindestkontrastwert als genanntes Delta L* mit definiertem Messgerät und definierter Blende; eine Mindest-Codeklasse nach ISO/IEC 15415 oder 15416, wo die Beschriftung maschinell gelesen wird, mit angegebener Beleuchtung; und eine Beständigkeitsbedingung, die zum realen Einsatz passt – die tatsächliche Abrieb-, Lösemittel-, Sterilisations- oder Bewitterungsbelastung. Benennen Sie auch die Auslöser für eine Requalifizierung: Harzcharge, Farbmittel, Mahlgut, Werkzeugwechsel und Laserservice.

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