Warum Kunststoffoberflächen mit dem Laser markiert werden

In fast jedem Bereich des täglichen Lebens finden sich verschiedene Kunststoffanwendungen, die mit Beschriftungen markiert werden. So sind im Automobilbereich Instrumententafeln, Bedienteile für Klima und Radio, Relais und Bauteile im Motorraum beschriftet. Ähnlich beschriftete Anwendungen finden sich im Haushalt wieder, zum Beispiel Bedienteile von Waschmaschinen, Drehschalter am Herd, Sicherungen in der Hauselektrik und Heizungsteile. Auch im Bereich „Sports & Leisure“ und „Building & Construction“ ließe sich diese Aufzählung fortführen. Denn Kunststoffe sind heutzutage nicht mehr nur dafür da, um bestimmte Eigenschaften eines Produktes zu erfüllen. Verarbeitete Kunststoffe werden außerdem gekennzeichnet, um damit Informationen zum Herstellungsprozess eines Produktes oder zum eingesetzten Polymer bereitzustellen. Neben den eher unflexiblen Werkzeugeinlegern haben sich über die Zeit weitere Möglichkeiten wie Bedrucken entwickelt.

Eine flexible und beständige Lösung ist die Beschriftung mittels Laser. Durch eine sich verändernde fortlaufende Markierung werden zum Beispiel Bauteilserien sicher markiert und so dem jeweiligen internen Herstellungsprozess zugeordnet. Selbst feinste Konturen können nachgebildet und hohe Kontraste erzielt werden. Dadurch lassen sich auch verschiedene 2D-Codes, wie zum Beispiel QR- oder Strichcodes auf den Bauteilen darstellen und eine Verknüpfung zu einer nahezu unbegrenzten Datentiefe erstellen. Die Markierung mittels Laser bietet durch die gute Beständigkeit gegen Abrieb, Wasser, Chemikalien und UV-Strahlung zudem eine zuverlässige Ablesbarkeit in den verschiedenen Anwendungsbereichen. Um eine hohe Prozesssicherheit mit gleichbleibender Laserbeschriftungsqualität zu gewährleisten, spielt die Umgebung und die Einstellung des Materials eine signifikante Rolle. Dafür muss das Polymer mit dem Laseradditiv auf das jeweilige Beschriftungsverfahren abgestimmt werden. Wichtige Einflussfaktoren sind dabei die Farbe des Compounds, das verwendete Laseradditiv und die Wellenlänge des Lasers. Gezielte Einstellungen können durch Versuche an der Beschriftungsanlage validiert werden. Für diese Art der Materialbeschriftung kommen eine Vielzahl von Anwendungen infrage, zum Beispiel Gehäuse, Frontpanels, Tiermarken (zum Beispiel Ohrmarken an Kühen) oder verschiedene Bauteilcodierungen. Die Arten der Laserbeschriftung lassen sich in drei Kategorien zusammenfassen:

• Materialabtrag: Bei dieser Form der Laserbeschriftung wird meist eine Lackierung oder dünne Schicht eines Mehrschichtaufbaus abgetragen. Durch diesen Abtrag entsteht ein optischer Unterschied zum restlichen Bauteil. Eine der häufigsten Anwendungen sind Bedienelemente im Automobilinnenraum, die bei Tageslicht durch den Farbunterschied lesbar sind und bei Dunkelheit von hinten durchleuchtet werden können.
• Aufschäumen: Dieses Verfahren kommt bei Farbumschlägen von dunkel auf hell zum Einsatz. Dabei werden durch den Eintrag der Laserenergie auf die Materialoberfläche blasenförmige Strukturen erzeugt, die das Licht diffus reflektieren. Dadurch entsteht der Eindruck einer hellen Markierung. Mit einer speziellen Zusammensetzung des Materials lässt sich beim Aufschäumen auch ein Farbumschlag in unterschiedlichen Farben erzeugen. Der Farbumschlag hängt nicht nur mit der Rezeptur des Materials zusammen, sondern lässt sich zusätzlich über den Energieeintrag auf dem Bauteil noch weiter verändern. Somit sind durch unterschiedliche Intensitäten des Lasers mit einem Material Farbverläufe möglich.
• Karbonisieren: Im Gegensatz zum Aufschäumen wird diese Art der Laserbeschriftung bei einem Farbumschlag von hell auf dunkel genutzt. Die Umstellung der Farbe findet aufgrund einer Schädigung auf Molekülebene statt. Dies hinterlässt eine sichtbare dunkle Markierung auf dem Bauteil.

Neben der richtigen Einstellung der Materialzusammensetzung für die jeweilige Art der Laserbeschriftung sind vor allem die Prozessparameter im Beschriftungsprozess wichtige Stellgrößen. Über die verschiedenen Einstellungsmöglichkeiten wird der Energieeintrag auf eine Fläche gesteuert. Zu den beeinflussbaren Prozessparametern gehören die Pulsfolgefrequenz des Lasers, die Ablenkgeschwindigkeit, der Linienabstand und die Fokuslage. Der Laserstrahl trifft nicht dauerhaft auf das Werkstück, sondern über ein Spiegelsystem mit einer festen Frequenz. Es werden Punkte gelasert, die so klein sind, dass sie für das menschliche Auge eine Linie ergeben. Bei hoher Frequenz ist die Zeitspanne kurz. Dadurch hat der Laser nicht mehr ausreichend Zeit und somit Energie für den nächsten Schuss zu laden. Als Ergebnis nimmt die Leistung des Laserstrahls ab. Bei reduzierter Frequenz ist eine längere Zeitspanne zum Laden vorhanden, und es kann mehr Energie aufgeladen werden. Der Laser schießt langsamer, dafür mit erhöhter Energie.

Im Zusammenspiel mit der Ablenkgeschwindigkeit des Laserpunktes kann der lineare Abstand der Energieeinträge gesteuert werden. Eine Linse fokussiert den Laserstrahl auf einen bestimmten Punkt auf der Oberfläche. Dort hat der Laserstrahl seinen kleinsten Durchmesser und die größte Energie pro Fläche. Der Strahl wird durch eine Linse in einem festen Punkt fokussiert. Der Laser kann dabei selbstständig die Lage des Fokus um ein paar Zentimeter verschieben. Um die Oberfläche des Werkstücks fokussieren zu können, ist der Lasertisch höhenverstellbar. Dadurch können auch größere Werkstücke markiert werden. Durch den Linienabstand wird die Distanz zwischen den einzelnen Reihen gesteuert. Der somit generierte Energieeintrag auf eine Fläche erzeugt je nach Beschriftungsart ein unterschiedliches Ergebnis. Mit einer Testmatrix kann die Auswirkung auf das Material mit vielen verschiedenen Parametern in kürzester Zeit getestet werden. Bild 2 zeigt die Stellgrößen des Beschriftungsprozesses, welche auf den Achsen der Matrix dargestellt werden. Anhand der Matrix lässt sich schnell ein verlässlicher Eindruck über die richtige Prozessführung gewinnen. So werden zum Beispiel bei dem Compoundeur Mocom Beschriftungsmatrizen in der Produktentwicklung eingesetzt, um spezifische Compounds entwickeln und Laserparameter definieren zu können.

Anhand der Altech Compounds ist erkenntlich, dass die Materialien nicht nur die herkömmliche Möglichkeit eines Farbwechsels von dunkel auf hell oder hell auf dunkel bieten, sondern auch die Variante eines Farbumschlages in verschiedenen Farbtönen abbilden. Tabelle 1 zeigt eine Auswahl verschiedener lasermarkierbarer Altech Compounds mit wichtigen technischen Eigenschaften. Es können unterschiedliche Polymere wie ABS, PP, PC, Polyamide und viele weitere Kunststoffe laserbeschriftet werden. Viele der aufgeführten Compounds besitzen zusätzlich eine UL-Listung oder erfüllen weitere Anforderungen, wie zum Beispiel Flammschutz. Kombinationen aus gefüllten und ungefüllten Compounds oder aus Glaskugeln und Glasfasern mit erhöhten Konzentrationen sind ebenfalls möglich. Zudem ist auch die Zudosierung über eine Batchlösung aus dem Alperform Portfolio für eine breite Anzahl von Materialien möglich.

Quelle: Mocom