Laserbeschriftung: Lasertypen, Vorteile, Nachteile

Aus induuxWiki
Letzter Autor: Veikko, , 18.935 Zeichen
Verlinke diesen Wiki-Artikel mit https://wiki.induux.de/Laserbeschriftung
🎓 Laserbeschriftung ist die Beschriftung, Kennzeichnung oder Markierung eines Objekts mittels Industrielaser. Durch die Flexibilität und Vielseitigkeit, ist das Beschriften von Objekten mit dem Laser ein sehr verbreitetes Verfahren in der Industrie. Vor allem das Laserbeschriften von Kunststoffen und Edelstahl ist weit verbreitet.
Synonym(e): Laserkennzeichnung, Lasermarkierung, Lasercodierung


Hersteller, Laserbeschriftungssysteme
Anzeige

Neben dem Laserschneiden, Laserbohren, Laserstrukturieren und Laserschweißen ist ein Laser auch zum Lasermarkieren geeignet. Für das Laserbeschriften eines Objekts wird ein Laserbeschriftungssystem, eine Laserbeschriftungsmaschine oder ein Lasergravurgerät benötigt. Der Strahl der Maschine verändert das Material des Objekts, wodurch Beschriftungen sichtbar werden. Neben der Laserbeschriftung sind auch die Ätztechnik, der Siebdruck und der Tampondruck Verfahren zur Beschriftung von Werkstücken in der Industrie. Mittels Laserbeschriftung werden Codes wie der DataMatrix-Code auf Produkten angebracht.

Schichtabtrag und Schwarzbeschriftung mit einem Faserlaser der ACI Laser GmbH


Lasertypen

Für die Laserbeschriftung kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. Diese unterscheiden sich wesentlich im Einsatz des laseraktiven Mediums und richten sich nach der Anwendung bzw. der Beschriftungsapplikation. Überblick über die zum Einsatz kommenden Beschriftungslaser.

Vorteile

  • Im Gegensatz zu anderen Beschriftungsverfahren, wie bspw. dem Beschriften mittels feinem Fräser oder dem Nadelprägen, handelt es sich bei der Laserbeschriftung um ein berührungsloses Verfahren. Der Eingriff des Lasers in das Werkstück, bzw. Halbzeug, erfolgt lediglich durch gebündeltes Licht. Dieser berührungslose Eingriff ist damit frei von mechanischen Kräften und das Werkstück muss in der Regel nicht gespannt oder geklemmt werden. Das erleichtert sowohl das Rüsten, als auch das Handling im Produktionsprozess.
  • Verglichen mit Druckverfahren, wie z.B. Tampondruck oder Tintenstrahldruck aber auch dem Nadelprägen, sind für die Veredelung bzw. Beschriftung mittels Laser regulär keine Verbrauchs- oder Hilfsstoffe nötig. Wartung und Reinigung gestalten sich damit unkompliziert und der Fertigungsprozess ist damit meistens langfristig günstiger. Die Beschriftungen werden in Wechselwirkung mit dem Laser durch materialimmanente Eigenschaften hervorgerufen.
  • Weiterhin ist es möglich, mit dem Laser Flächen zu markieren, die bspw. mit dem Nadelpräger oder üblichen Druckverfahren unzugänglich sind. Vertiefungen, wie z.B. Bohrungen oder Taschen können problemlos durch Nachfokussieren mit dem Laser erreicht werden.
  • Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Flexibilität. Wird eine Beschriftung mit einem feinen Fräser realisiert, muss i.d.R. diese Kontur aufwändig mittels G-Code programmiert werden. Häufig wird dieser Prozess durch CAM-Systeme vereinfacht. Im Falle der Laserbeschriftung reicht es zumeist aus, das Layout durch Eingabe von Text oder durch das Laden von DXF-Grafiken anzupassen.
  • Weiterhin zu nennen ist die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Im Falle von Druckverfahren gibt es häufig eine gewisse sichtbare Varianz innerhalb der beschrifteten Teile. Das kann an der Oberflächentextur, Fett- oder Ölrückständen aber auch erschöpfter Tintenpatronen oder Tonern liegen. Laserparameter dahingegen sind elektronisch gesteuert und stabilisiert. Diese können auf das entsprechende Material feinabgestimmt werden und sorgen für gleichbleibende Ergebnisse.
  • Markierung ist i.d.R wasser- und wischfest und resistent gegen physikalische Einwirkung
  • Sehr gut geeignet für eine große Materialvielfalt
  • Kann einfach automatisiert werden

Nachteile

  • geringe Flexibilität in der Farbgebung
  • i.d.R. höhere Anschaffungskosten

Beschriftungsmechanismen

Verglichen mit anderen Beschriftungsverfahren kommen bei der Laserbeschriftung i.d.R. weder Hilfsstoffe, noch Verbrauchsstoffe zum Einsatz. Die Markierung wird durch materialimmanente Eigenschaften hervorgerufen. Dennoch müssen hin und wieder Materialien speziell designt werden, um die gewünschte Reaktion in Wechselwirkung mit dem Laser zu erzielen.

Tiefbeschriftung

Die Tiefbeschriftung wird sowohl bei Metallen und Legierungen als auch bei Lacken, Folien und Verbundsstoffen eingesetzt. Die Flienbeschriftung wird das durchgeführt, wenn die direkte Laserbeschriftung des Werkstückes nicht möglich oder sinnvoll ist. Laserbeschriften mittels Tiefbeschriftung basiert auf dem gleichen Prinzip wie die Lasergravur. Auch hier wird das Material durch die Hitze verdampft. Je nach Parametrierung können unterschiedliche Gravurtiefen erreicht werden.

Laserinduzierte Beugungsgitter

Durch laserinduzierte periodische Nanostrukturen kann eine Farbwirkung ermöglicht werden. Jene Nanostrukturen bilden an der Oberfläche ein Beugungsgitter und erzeugen so in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel eine unterschiedliche Farbwirkung. Die Strukturen werden durch gepulste Lasersysteme erzeugt. Auf diese weise können Hologrammeffekte auf eine beschrifteten Bauoberfläche ermöglicht werden. Das Verfahren eignet sich für Glas, Metall und Halbleitermaterialien.

Materialabtrag

Beim Materialabtrag durch den Laser wird das Laserlicht vom Material absorbiert und erhitzt sich. An den betroffenen Stellen schmilzt und verdampft das Material. Damit unterscheiden sich diese vertieften Stellen farblich von der Deckschicht des Materials und die Laserbeschriftung ist sichtbar. Sowohl eine helle als auch dunkle Beschriftung ist damit möglich. Nach dem Bearbeiten ist die Veränderung der Materialien nur schwer wieder unkenntlich zu machen.

Metalle

Gravur

Messinggravur mittels Faserlaser der ACI Laser GmbH


Hierfür werden Laser und Laserparameter ausgewählt, welche fokussiert eine derartig hohe Energiedichte (Fluenz) erzeugen, dass Metallgitter aufgebrochen werden und die entstehende Schmelze ausgeworfen wird. Um diese notwendigen Energiedichten zu erzeugen kommen gepulste Laser zum Einsatz. Die Energie eines Pulses entlädt sich in Mikrosekunden bzw. Nano-, Piko- und Femtosekunden auf dem Material, was zu einer spontanen Änderung des Aggregatzustandes führt. Abhängig von der energiedichte wird das Material vom festen in den flüssigen Zustand überführt und die Schmelze durch weitere Pulsfolgen und daraus resultierenden "Mikroexplosionen" ausgeworfen. Andererseits kann die Energiedichte auch derartig hoch sein, dass das Material direkt vom festen in den gasförmigen Zustand überführt wird und durch die plötzliche Expansion aus dem Wirtsmaterial herausgeschleudert wird. Vorteil dabei ist, dass die Schmelze "übersprungen" wird und sich an den Gravurkanten kein störender Grat abscheidet. Das Verfahren der Lasergravur ermöglicht das Nachfokussieren des Lasers nahezu beliebige Gravurtiefen. Zu beachten ist hierbei das Aspektverhältnis.

Schwarzbeschriftung

Schwarzmarkierung von blankem Aluminium



Die Schwarzbeschriftung kann durch eine Feinstrukturierung der Oberfläche zutage treten. Hierbei werden Strukturen realisiert, die wie eine Art "Lichtfalle" wirken. Das einfallende Licht tritt in die Struktur ein und wird in dieser "ausgelöscht", sodass die Markierung schwarz erscheint. Das Besondere hierbei ist die hohe Qualität und die Korrosionsbeständigkeit. Hierfür kommen spezielle Lasersysteme zum Einsatz, welche zeitlich aufgelöste Pulsweiten von wenigen Pikosekunden haben, um die feinen Strukturen ohne Abscheidung des Sublimates zu erzeugen.

Einer weiterer Mechanismus, die Schwarzbeschriftung zu erzeugen, ist die Kohlenstoffabscheidung an der Oberfläche des Zielmaterials. Metalllegierungen haben häufig im Gefüge Kohlenstoff eingelagert. Die Laserparameter und die Fokussierung werden so abgestimmt, dass es zwar nicht zum Aufbrechen der Metallgitterstruktur kommt und die Oberfläche nicht beschädigt wird, jedoch gerät das Metallgitter in Resonanz mit der Laserfrequenz, sodass inerte Spannungen durch an die Oberfläche diffundierenden Kohlenstoff entladen werden. Der gezielt abgeschiedene Kohlenstoff wird als schwarze Laserbeschriftung wahrgenommen. Dieser Prozess wird häufig irrtümlicherweise als Anlassbeschriftung bezeichnet. Allerdings ist in den dokumentierten Anlassfarben schwarz nicht enthalten. Ein Nachteil dieser Art der Beschriftung liegt im Falle von Edelstahl darin, dass sich die passivierende Chromoxidschicht nicht nachbilden kann, sodass es in diesem markierten Bereich zu Korrosion kommen kann. Technologisch wird also häufig eine künstliche Passivierung der Markierung angeschlossen.

Anlassfarben in Laserparametermatrix
Anlassfarben, welche durch ein laserparameterinduziertes Temperaturregime aktiviert werden

Anlassbeschriftung

Anlassfarben werden durch Oxidschichten erzeugt, welche als Reaktion auf eine hohe Temperatur zwischen der Metalloberfläche und dem umgebenden Sauerstoff entstehen. Hierbei baut sich Sauerstoff ins Gefüge ein, was die Korrosionsbeständigkeit beispielsweise bei Edelstählen stark herabsetzt. Eine nachträgliche künstliche Passivierung ist also angeraten. Die Oxidschichten sind derartig dünn dass diese für sichtbare Wellenlängen eine gewisse Transparenz aufweisen. Im Anlassprozess prägen sich mehrere Schichten aus, sodass es durch Überlagerung der an den Grenzflächen reflektierten Wellenlängen zu Verstärkung und Auslöschung kommen kann. Der Betrachter nimmt das Ergebnis als eine farbliche Markierung wahr.

Kunststoffe

Es können mehrere Effekte zur Beschriftung von Kunststoffen beitragen. Diese sind meistens primär abhängig von der Laserwellenlänge.

Farbumschlag

Die polymere Struktur des Kunststoffes absorbiert die spezifische Laserwellenlänge. Der gezielte Energieeintrag bewirkt ein "Aufbrechen" der polymeren Struktur, was sich in einer Veränderung des optischen Brechungsindexes niederschlägt. Diese Veränderung wird als Verfärbung bzw. Farbumschlag wahrgenommen. Häufig besteht die technische Forderung, dass die Materialoberfläche nicht zerstört werden darf bzw. eine gewisse Rauhigkeit nicht überschritten werden darf. Zu diesem Zweck werden sogenannte Additive oder Farbpigmente in das Kunststoffgranulat eingebracht, welche sehr sensitiv auf die entsprechende Laserwellenlänge reagieren. Vorteil darin ist, dass das Absorptions- und Reaktionsverhalten des Kunststoffes deutlich verbessert werden und dass die einwirkende Energie reduziert werden kann, was wiederum die Oberflächenqualität begünstigt.

Aufschäumen

Bei dem Aufschäumen greifen mehrere Mechanismen ineinander. Die Laserwellenlänge wird absorbiert, was wiederum das Material partiell stark erhitzt. Der Kunststoff dehnt sich dadurch aus, reduziert seine Dichte und lagert Luftblasen ein. Häufig geht dieser Prozess mit einer hellen Verfärbung einher, da durch den Energieeintrag Farbpigmente zerstört oder anderweitig entfernt werden, sodass nur das aufgequollene Wirtsmaterial übrig bleibt.

Karbonisieren

Hierbei wird durch Laserabsorption der Kunststoff partiell stark erhitzt und alle flüchtigen Bestandteile durch Emission entfernt. Übrig bleibt Kohlenstoff, welcher die Grundlage für polymere organische Strukturen bildet. Dieser abgeschiedene Kohlenstoff wird als kontrastreiche Beschriftung wahrgenommen.

Aufschmelzen

Beim reinen Aufschmelzen kommt es hingegen zum Farbumschlag nicht zu einer Veränderung des optischen Brechungsindexes, sondern zu einer Auflösung der polymeren Struktur. Hierbei kommt meistens der CO2-LAser zum Einsatz, da dessen Wellenlänge (10600 nm) derartig groß ist, dass diese nicht in die Moleküle eindringen kann und Eigenschaft gezielt verändern kann. Das Ergebnis der Absorption ist eine starke Erwärmung, die zum Aufschmelzen des Kunststoffes führt. Das Ergebnis wird als Schmelzgravur, vergleichbar mit einer Prägung, wahrgenommen.

Abgrenzungen von Laserbeschriftungen: Laserschneiden/Laserschweißen

Das Laserbeschriften von Objekten muss von Laserschneiden und Laserschweißen abgegrenzt werden. Alle Verfahren funktionieren mittels Lasertechnik, allerdings wird die Umsetzung unterschiedlich vollzogen. Beim Laserschneiden wird ein Festkörper durch kontinuierliche Bestrahlung getrennt. Das Laserschneiden ist eine wirkungsvolle Technik der Trennung mit hoher Präzision. Zum Laserschneiden werden Co2 Laser oder Festkörperlaser eingesetzt. Nahezu jeglicher Werkstoff lässt sich durch Laserschneiden bearbeiten wie Metalle, Glas oder Holz. Das Laserschweißen ist ein Schweißverfahren basierend auf Lasertechnik. Laserschweißen wird zum Bearbeiten von Material eingesetzt, das eine hohe Schweißgeschwindigkeit benötigt. Zum Einsatz kommen Faserlaser, Scheibenlaser und CO2 Laser.

Dienstleistung

Laserbeschriftungen können auch als Dienstleistung erworben werden. Ist der Preis für die Anschaffung eines eigenen Systems zu hoch und ein Laserbeschriftungsgerät würde keine regelmäßige oder langfristige Anwendung finden, ist Laserbeschriftung als Dienstleistung eine sehr gute Möglichkeit, um trotzdem in hoher Qualität beschriftete Materialien zu nutzen. Die Dienstleistung wird von mehreren Unternehmen angeboten. Insbesondere das Bearbeiten durch Lasergravur ist online stark gefragt. Die Technik wird sowohl im B2B Bereich als auch im B2C Bereich als Dienstleistung angeboten. Generell können die Laserbeschriftungen auf verschiedensten Materialien mittels Faserlaser oder CO2-Laser durchgeführt werden.

Dienstleister:

  • SK Laser GmbH
  • Optimark GmbH
  • FMO Surface GmbH & Co.KG
  • DELTA Laser Tech GmbH
  • Alltec GmbH - FOBA Laser Marking + Engraving
  • beLaser GmbH

Hersteller Laserbeschriftungssysteme bzw. Laserbeschriftungsgeräte

Laserbeschriftung mittels Laserbeschriftungssystem, Beispiel Murrplastik Systemtechnik
ACI Laser GmbH
Hochwertige, kontrastreiche und beständige Laserbeschriftungen stehen bei ACI Laser GmbH im Fokus. Mit dem breitesten Wellenlängenspektrum werden nahezu alle Anwendungen im Bereich der Laserbeschriftung mit hoher optischer Qualität umgesetzt. Die Lösungender Produkte der ACI Laser GmbH liegen in bedienerfreundlichen Workstations (Laserklasse 1), Integrationslösungen für die Linienfertigung und speziellen kundenspezifischen Anlagen.
Murrplastik Systemtechnik GmbH
Murrplastik Systemtechnik GmbH ist ein führendes Unternehmen, das für innovative und vielfältige Lösungen und Produkte rund um das Thema Kabelmanagement, Kennzeichnung und die Beschriftung steht.
Keyence
KEYENCE ist ein innovatives und weltweit führendes Unternehmen im Bereich der Entwicklung und Herstellung von Werkautomatisierungs- und Qualitätskontrollsystemen. Die Produktpalette umfasst z.B. Codeleser, Laser-Markiersysteme, Bildverarbeitungssysteme und Messsysteme. Das Gloas von Keyence bietet Hintergrundwissen zu Begriffen der Industrielaser.
OR Laser GmbH
OR Laser ist Hersteller für industrielle Lasersysteme. Das Unternehmen bietet z. B. Herstellung kompletter Laserbearbeitungsmaschinen für das Laserschweißen an.
TRUMPF
Die TRUMPF GmbH + Co. KG ist ein Hochtechnologieunternehmen in den Bereichen der Werkzeug Maschinen, Lasertechnik und Elektrowerkzeuge. TRUMPF bietet verschiedene Produkte zum Laserbeschriften in unterschiedlichen Leistungsklassen mit angepasster Leistungselektronik (One-Box-Laser, TruMicro, TruMark, etc). Dazu gehören Beschriftungslaser, Markierarbeitsplätze, Mobile Marker und Software zum Beschriften. Die Verfahren umfassen Verfärben und Aufschäumen, Anlassen und Gravieren und Abtragen. Darüber hinaus hat TRUMPF gepulste Laser für kosteneffizientes Punkt- und Nahtschweißen im Produktportfolio. Über das MyTRUMPF Kundenportal, können von individuelle Features profitiert werden.
Rofin
Rofin Sinar Laser GmbH ist technologie- und Marktführer in der industriellen Lasermaterialbearbeitung. Das Unternehmen bietet unter anderem Beschriftungslaser, Beschriftungssysteme, Faser- und UV-Laser an. Daneben wird auch das Laserstrukturieren durchgeführt - eine Technik zum Werkstoffabtrag in der industriellen Fertigung.
ACSYS
ACSYS ist ein Hersteller von 2D/3D Lasermaschinen für Laserbeschriftung, Laserschneiden und Laserschweißen. Besonders bekannt ist die Laserbearbeitungsanlage PIRANHA mit ihren sechs Konfiguartionen (z.B. PIRANHA I-III, PIRANHA Multishift oder PIRANHA cut) und der Optischen Teileerkennung (OPR) sowie das Laserbearbeitungssystem BARRACUDA und die Laserintegrationslösung INLINER.
Trotec
Trotec ist ein Unternehmen im Bereich der Lasertechnologie. Sie entwickeln, produzieren und vermarkten Lasergeräte zum Schneiden, Gravieren und Beschriften von verschiedenstens Materialien.
FOBA Laser Marking + Engraving
Der Hersteller bietet Laserkomponenten und Komplettsysteme mit einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Leistung zwischen 2 und 50 Watt an. Die Systeme zeichnen sich durch einen kamerabasierten Markierprozess aus, bei dem die Lage des Produkts kontrolliert und die Markierung dadurch passgenau aufgebracht werden kann. Mit Sitz in Norddeutschland gehört FOBA zur internationalen Danaher Corp.
Bluhm Systeme
Auch Bluhm bietet CO2-Laser, Faserlaser, YAG-Laser, Arbeitsstationen und Zubehör rund um die Laserbeschriftung an.
WF Laserbeschriftung
Das Unternehmen aus Königsfeld bietet Beschriftungslaser an, die mithilfe des Vektor-Prinzips funktionieren.
beLaser GmbH
Die beLaser GmbH hat sich auf die Laserbeschriftung und Dekoration von Produkten spezialisiert. Neben der Entwicklung und Herstellung kompakter Beschriftungssysteme werden auch vollautomatische Lösungen angeboten. Neben den klassischen Markieranwendungen bietet beLaser ein erweitertes Produktportfolio speziell für die Dekoration von Kunststoffprodukten. Hier können beispielsweise realitätsnahe Holzoptiken samt haptischer Wirkung mittels Laser erzeugt werden.

Quelle