Laserbeschriftung
Bei der Laserbeschriftung werden Objekte mithilfe eines intensiven Laserstrahls beschriftet. 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. Das ist der Unterschied zum Laserdruck, bei dem lediglich etwas auf das zu bedruckende Material aufgetragen wird. Neben der Laserbeschriftung sind auch die Ätztechnik, der Siebdruck und der Tampondruck Verfahren zur Beschriftung von Werkstücken in der Industrie. Mittels Laserbeschriftung werden Codes/Barcodes wie der DataMatrix-Code auf Produkten angebracht.
Lasertypen
Im Allgemeinen gibt es viele Arten von Lasern, wie z. B. Gaslaser, Festkörperlaser, Farbstofflaser und Diodenlaser. Dabei kommen unterschiedliche Technologien zum Einsatz. Diese unterscheiden sich im Wesentlichen durch den Einsatz des laseraktiven Mediums und richten sich nach der Anwendung bzw. der Beschriftungsanwendung.
Laserbeschriftung mit Beschriftungslaser werden zur Prozessoptimierung, Qualitätskontrolle und Überwachung eingesetzt. Bauteile und Werkstücke werden beschriftet, um z.B. die Rückverfolgbarkeit von Teilen zu gewährleisten. Auch die automatische Nummerierung von Teilen ist ein wichtiges Anwendungsgebiet.
Anwendungsbereiche
- Medizintechnik: maschinenlesbare Markierungen auf ärztlichen oder chirurgischen Instrumenten (überwiegend aus Metall)
- Luft- und Raumfahrt: Data-Matrix-Codes auf allen strategischen Bauteilen (Turbine)
- Elektronik und Sensorik (an Leiterplatten, Klemmen oder Schaltgeräten)
- Automobilindustrie: Beschriftet werden unter anderem Produktionsdaten, Datumsangaben, Teile-, Serien- und Chargennummern
- Textilbranche: z.B. für den Vintage-Look auf der Jeans
- Maschinenbau
- Kunststofftechnik (Herstellen von gezielten Oberflächenrauigkeiten durch Laserätzen; Farbumschläge; Aufschäumen der Oberfläche)
- Werkzeugbau und Formenbau
- Sanitär und Heizung (Vorwiegend Lasergravuren auf Metall)
- Schmuckindustrie (verschiedene Markierverfahren: z. B. feine Strukturierung von edlen Oberflächen mit sehr hoher Qualität und Güte)
- Militärtechnik und Sportwaffen
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 zum Beispiel 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 Laserstrahl 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 positiver Aspekt 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
- geringere Flexibilität in der Farbgebung
- i.d.R. höhere Anschaffungskosten
- Bearbeitungsdurchmesser kleiner als 0,1 mm → Prozess dauert bei großen Flächen lange
Beschriftungsverfahren
Das Beschriftungsverfahren und der Einsatz der Laserenergie hängen stark vom eingesetzten Material ab. Verglichen mit anderen Beschriftungsmechanismen 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 Folienbeschriftung wird dann 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. Einsatzgebiete sind etwa die fälschungssichere Prägung von Teilen, da Lasertiefgravuren sehr schwer entfernt werden können.
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 Laserstrahl 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.
Beim Farbabtrag geht es darum, die Farbe von beschichteten Gegenständen abzutragen. Auch eingefärbte Eloxalschichten können graviert werden - dabei werden organische Farbstoffe pyrolysiert, indem die Eloxalschicht erhitzt wird.
Metalle
Gravur
Für die Laserbeschriftung Metall 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 bzw. Pulsdauer 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
Mit dem Verfahren des Black Marking wird eine tief dunkle und kontrastreichen Beschriftung erzeugt. Ohne dabei die Oberfläche des Materials anzugreifen.
Anlassbeschriftung
Siehe Anlassbeschriftung
Kunststoffe
Es können mehrere Effekte zur Laserbeschriftung 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 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 Wellenlänge reagieren. Das Positive daran 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 Basismaterial 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 im Gegensatz zum Farbumschlag nicht zu einer Veränderung des optischen Brechungsindexes, sondern zu einer Auflösung der polymeren Struktur. Hierbei kommt meistens die CO2-Laserquelle zum Einsatz, da diese 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.
Abgrenzung zu 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 Kohlendioxidlaser 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.
Marken und Dienstleister
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 Lasermarkierung/-beschriftung 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.
Es gibt viele bekannte erfahrene Unternehmen im Markt, die Produkte und Lösungen rund um Laserbeschriftung, Lasermarkierung und Kennzeichnung anbieten. Darunter fallen zum Beispiel Laserbeschriftungssysteme bzw. Laserbeschriftungsgeräte, Laserbeschriftung Software, Beschriftungstechnologie, Lasergravurmaschinen sowie Beschriftungslaser (wie Diodenlaser, YAG-Laser und CO2-Laser).
Industrielle Lasersysteme umfassen bspw. Prinzipien wie Gravieren, Abtragen (Laserabtrag) und Anlassbeschriftung. Bekannte Unternehmen sind unter anderem ACI Laser, TRUMPF, Bluhm Systeme, ACSYS und beLaser.
