Lasergravur - Vorteile, Anwendung, Anbieter

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aktualisiert am 09.02.2021 - 07:56:46

Bei der Lasergravur wird Material von der Werkstückoberfläche mittels eines Lasers gezielt abgetragen. Die Gravurtiefe hängt dabei wesentlich von der eingetragenen Energie und der Anzahl der Bearbeitungszyklen ab.

Frage/Definition: Was ist/sind Lasergravur?
Auch oft gesucht: Laserbeschriftung, Lasermarkierung



Eine saubere Abgrenzung des Begriffes "Lasergravur" ist zwar technisch möglich, wird jedoch umgangssprachlich nicht vollzogen. Als "Lasergravur" werden umgangssprachlich häufig alle Beschriftungsverfahren benannt, die mittels des Lasers realisiert werden. Im Folgenden wird detailierter auf die einzelnen Wirkmechanismen eingegangen.

Messinggravur mittels Faserlaser der ACI Laser GmbH


Schwarzmarkierung von blankem Aluminium


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.

Metalle

Gravur

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

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 Pulseweiten von wenigen Pikosekunden haben, um die feinen Strukturen ohne Abscheidung des Sublimates zu erzeugen. Ein hierfür zum Einsatz kommendes Lasersystem ist der DFL Brevis Marker der ACI Laser GmbH. Dieses System basiert auf dem Grundsätzlichen Aufbau eines Faserlasers mit einem nachgelagerten optischen Kompressor.

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 starl 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 Kholenstoff, welcher die Gundlage 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 Molekühle eindringen kann und Eigenschaft gezielt verändern kann. Das Ergebnis der Absorbition ist eine starke Erwärmung, die zum Aufschmelzen des Kunststoffes führt. Das Ergebnis wird als Schmelzgravur, vergleichbar mit einer Prägung, wahrgenommen.

Materialien

Vorteile Lasergravur

Anwendungen

Die Lasergravur findet dort Einsatz, wo einerseits eine sehr hohe optische Qualität erreicht werden muss, andererseits komplexe Layouts mit hohen Informationsdichten realisiert werden müssen und ebenfalls eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erreicht werden muss. Typische Industrien sind:

  • Elektronik und Sensorik: hierbei müssen auf Kleinstbaugruppen Kennzeichnungen mit z.T. hohen Informationsdichten gut lesbar realisiert werden. Produziert werden sehr hohe Stückzahlen und hohe Losgrößen, was eine hohe Reproduzierbarkeit erfordert.
  • Automotive: Eineindeutige Kennzeichnungen erfordern automatisierte Seriennummer-Generierung, sowie sehr hohe optische Kontraste, welche das maschinelle Rücklesen von OCR-Klartext, sowie 2D-Codes möglich machen. Außerdem wird meistens sogar die Laserbeschriftung vorgeschrieben, da nur mit diesem Verfahren das Maß an Reproduzierbarkeit erreicht werden kann, welches gefordert ist.
  • Schmuckindustrie: hier kommt die Flexibilität des Lasersystems zutragen. Nicht nur auf kleinsten Flächen müssen Logos und Texte untergebracht werden, sondern es müssen Gravuren auf der Innenfläche des Ringes realisiert werden. Ein weiteres Kriterium, welches den Laser einfordert, ist die Qualität. Ein Entgraten ist i.d.R. nicht toleriert, da die Personalisierung des Ringes durch die Beschriftung als letzter Bearbeitungsschritt vorgenommen wird. Ebenfalls ist der Beschriftungslaser eine Lösung, um eine Vielzahl an Materialien zu markieren.
  • Werkzeuge und andere Metallerzeugnisse: Zum Teil müssen Gravuren sehr tief in das Halbzeug eingebracht werden, was mit dem Laser problemlos realisiert werden kann. Außerdem lässt sich auf diese Weise jedes beliebige Layout umsetzen, Diese Flexibilität macht man sich im Werkzeugbau gerne zunutze.
  • Chemie und Verfahrenstechnik: Hier kommt der Laser vor allem zum Einsatz, um Etiketten und Typenschilder zu beschriften. Die schnelle und flexible Anpassung eines Layouts und die reproduzierbare Qualität machen den Laser damit z.T. unverzichtbar.

Anbieter

ACI Laser GmbH
Als Entwickler, Hersteller und Vertreiber von flexiblen schlüsselfertigen Lasersystemen für die Laserbeschriftung hat sich ACI Laser GmbH sowohl auf dem deutschen, als auch dem internationalen Markt einen Namen gemacht, der mit hochwertigen Lasersystemen MADE IN GERMANY verknüpft wird.
ACI-Logo mit Slogan
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