Der Laser als Markierwerkzeug ist aus der Industrie nicht mehr wegzudenken. Automobil, Elektronik, Medizintechnik sind nur einige wenige Industriezweige, in denen der Laser häufig aufgrund seiner Flexibilität und Vielseitigkeit anderen Verfahren zum Beschriften vorgezogen wird. Die Nachfrage nach Markierlasern steigt, die Gründe dafür sind vielfältig. Zum einen werden immer mehr Verbrauchsgüter individuell gekennzeichnet. Zudem steigen die Anforderungen an die Dokumentation des Fertigungsprozesses und damit verbunden der Rückverfolgbarkeit vieler Produkte und Werkstücke stetig. Mit dem Laser können individuell Zahlen, Texte, Logos oder maschinenlesbare Codes wie der Data-Matrix-Code mit seiner hohen Informationsdichte aufgebracht werden.

Nicht alle Kunststoffe eigenen sich für die Beschriftung mit dem Markierlaser. Einige Industriekunststoffe zeigen bei Beschriftungen mit dem Laser nur schwache Kontraste und erfüllen damit die Anforderungen an gute Lesbarkeit und hohe Qualität bei kurzer Beschriftungszeit nicht. Daher sind spezielle lasersensitive Additive, wie Füllstoffe, Stabilisatoren und farbgebundene Pigmente für  Kunststoffe zum Laserbeschriften erhältlich. Mit diesen lässt sich die Lasermarkierbarkeit des Materials deutlich erhöhen. Typische Kunststoffe, die sich durch den Einsatz von Laseradditiven für die Laserbeschriftung eignen sind beispielsweise Polyethylen, Polystyrol und Polyoxymethylen sowie Polyurethan, Polypropylen und Polyvinylchlorid.

Absorptionsverhalten der Kunststoffe
Beim Lasermarkieren muss der Kunststoff die Laserstrahlung in ausreichendem Maße absorbieren. Das makromolekulare Grundgerüst der Kunststoffe absorbiert in der Regel lediglich Licht im ultravioletten Bereich und im fernen Infrarot-Bereich (CO2-Laser, Wellenlänge 10,6 µm). Additive, Füllstoffe und Pigmente technischer Kunststoffe beeinflussen die Absorption jedoch stark, so dass der Kunststoff Strahlung im nahen IR-Bereich (1064 nm) oder sichtbares grünes Laserlicht (532 nm) besser absorbieren kann. Das Resultat sind höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten und bessere Kontraste.

Die für die Beschriftung verwendeten Laser emittieren Licht meist im infraroten Wellenlängenbereich von 1064 nm. Speziell für die Bearbeitung von Kunststoffen und Halbleitermaterialien stehen auch Geräte mit grünem (532 nm) und ultraviolettem Licht (355 nm) zur Verfügung. Insbesondere die UV-Wellenlänge eröffnet neue Dimensionen in der Kunststoffbeschriftung. Die Energie des kurzwelligen UV-Lichts führt zu einer photochemischen Reaktion, ohne das Material zu erhitzen und damit zu beschädigen. Besonders bei kritischen Materialien, z.B. Kunststoffen mit Flammschutzmitteln erreichen diese Laser eine deutlich kontrastreichere Beschriftung bei optimaler Oberflächenqualität und sehr hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit.

Lasermarkieren auf Kunststoff
Es gibt vier unterschiedliche Methoden, mit denen Kunststoffe markiert werden können. Beim Verfärben erzeugt das Laserlicht einen Farbwechsel unter der Oberfläche beispielsweise durch Karbonisieren. Eine Gravur entsteht durch Schmelzen und Verdampfen von Matrixmaterial auf der Oberfläche des Kunststoffes. Das Aufschäumen mittels Laser erzeugt einen Aufwurf auf der bzw. Veränderung der Oberfläche. Dadurch verändert sich die Lichtbrechung des Kunststoffes und es erscheint eine dunkel wirkende Markierung. Beim Abtragen werden die obersten Schichten des Materials entfernt und es entsteht eine Vertiefung auf der Oberfläche.

Entscheidend für die bei einer Applikation beste Markiervariante sind die speziellen Anforderungen an die Beschriftung, der verwendete Kunststoff sowie die eingesetzte Laserwellenlänge. Bei den meisten thermoplastischen Kunststoffen wird ein Farbumschlag (vorwiegend bei einer Wellenlänge von 532 und 355 nm) durch Karbonisieren – eine dunkle Markierung auf hellem Grund – oder bei dunklen (häufig schwarzen) Materialien ein Aufschäumen (vorwiegend bei einer Wellenlänge von 1064 nm) des Materials erzielt. Beim Beschriften von Duroplasten und Elastomeren wird häufig graviert (vorwiegend bei einer Wellenlänge von 1064 nm).

Verfärben
Sind Werkstoff und Wellenlänge des Lasers optimal aufeinander abgestimmt, können Kunststoffe lokal karbonisiert werden – eine dunkle Markierung entsteht. Da die thermische Energie nur sehr lokal begrenzt eingebracht wird, ist das Resultat eine klare gut lesbare Schrift bzw. Codes mit hohem Kontrast.

Schäumen
Beim Schäumen wird das Matrixmaterial des Kunststoffs kurzzeitig zum Schmelzen gebracht, wobei Ausgasungen entstehen. Beim Abkühlen werden kleine Gasblasen eingeschlossen, an denen das einfallende Licht diffus reflektiert wird. Es entsteht eine erhabene Markierung, die relativ breit ist. Die Markierung auf dunklem Kunststoff erscheint hell.

Abtragen
Mehrschichtige Kunststoffe können durch Abtragen einer dünnen Deckschicht – etwa einer Lackierung - beschriftet werden. Dabei sollten folgende Bedingungen erfüllt sein: Es muss ein hoher Kontrast zwischen Deckschicht und Trägermaterial vorhanden sein. Das Material muss die Wellenlänge des Laserlichts gut absorbieren können. Die Schichtdicke sollte homogen sein. Das Verfahren wird vor allem zum Schichtabtrag von Lacken bei Schalter- und Bedienelementen im Tag-Nacht-Design in Autoarmaturen eingesetzt. Dabei darf der Basislack oder das semi-transparente Grundmaterial nicht beschädigt werden. Hierzu sind Laser mit einer hohen Puls-zu-Puls-Stabilität erforderlich. Da eine hohe Kantenschärfe der gelaserten Symbole gefragt ist, spielt auch die Qualität und Fokussierbarkeit des Laserstrahls eine wichtige Rolle.

Gravieren
Beim Gravieren wird das Bauteil insgesamt nicht aufgeheizt, sondern das Material wird oberflächlich geschmolzen und verdampft. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit ist der Schmelzanteil gering und es erfolgt praktisch eine Sublimation des Materials. Durch thermische Ausdehnung oder durch das Aufplatzen des Materials kann jedoch auch hier wie bei Metallen ein Randaufwurf entstehen. Gravieren wird bei Thermoplasten, Duroplasten und Elastomeren eingesetzt.

Laser zum Markieren
Für Beschriftungen werden meist gütegeschaltete, kurzgepulste Festkörperläser mit einer mittleren Leistung unter 100 Watt und Pulsdauern zwischen 10 bis 100 Nanosekunden eingesetzt – bei Pulsfrequenzen bis 100 Kilohertz. Damit können Wechselwirkungen mit dem zu markierenden Material fein abgestimmt werden. Die geringe Pulsdauer resultiert in sehr hohen Pulsspitzenleistungen von mehreren 10.000 Watt bei einer mittleren Leistung von 10 Watt. Die Laser sind diodengepumpt und verfügen über eine hohe Effizienz und einen hohen Wirkungsgrad. Die Laser sind gut fokussierbar und bieten dadurch die Möglichkeit, Oberflächen sehr filigran zu beschriften. Die hohe Strahlqualität der diodengepumpten Festkörperlaser ermöglicht einen kleinen Fokusdurchmesser. Kleine Spurbreiten von 30 µm für eine präzise Beschriftung sind so möglich. Daher können auch kleine Bauteile mit diesem Verfahren beschriftet werden.

Vektorbeschriften mit Festkörperlasern
Beim Beschriften mit Festkörperlasern setzen Anwender meist das flexible Vektormarkierverfahren ein. Zwei bewegliche Spiegel lenken dabei den Laserstrahl in x- und y-Richtung ab. Das Objektiv fokussiert ihn auf die Werkstückebene. Eine spezielle Fokussieroptik (Planfeldlinse) stellt sicher, dass der Brennpunkt in einer Ebene liegt. Die Ablenkgeschwindigkeit auf dem Werkstück beträgt bis zu 12 m/s. Somit lassen sich mehrere 1000 Zeichen pro Sekunde aufbringen. Die Größen der Beschriftungsfelder liegen typischerweise im Bereich 60x60 bzw. 290x290 mm2.

Beschriften mit dem Laser ist ökonomisch und äußerst flexibel
So universell wie der Laser zum Beschriften eingesetzt werden kann, so individuell ist der Weg zur integrierten Anwendungslösung. Der beste Weg, um den Markierprozess zu validieren, ist daher eine enge Zusammenarbeit zwischen Kunde und Laserhersteller. Aspekte wie Wellenlänge, Markierqualität (Kontrast, Homogenität, Auflösung, Klarheit), Markierzeit und vor allem die Anforderungen des Kunden spielen eine entscheidende Rolle, um den geeigneten Laser und optimale Parameter zu finden. Diese Auswahl bestimmt in der Produktion die Taktzeit sowie die Anzahl und Qualität der gefertigten Teile.

Weitere Informationen finden Sie unter: www.trumpf.com/