Lasermarkierung in der Kunststoff-Extrusion

Annina Schopen,

Nichts geht verloren in der Kreislaufwirtschaft

Produktmarkierung mit individuellen Strich- oder Data-Matrix-Codes, hochzählende Serien- nummern in Klarschrift und Logos im laufenden Prozess sind bei der Extrusion von Rohren oder Profilen nicht mehr wegzudenken. Dabei stellen die Umstellung auf nachhaltige Kreislaufwirtschaft und Rückverfolgbarkeit steigende Ansprüche an die Markierung.

Technischer Vorteil der Lasertechnik ist die Symbiose aus der Unverlierbarkeit der Markierung mit der Flexibilität digitaler Kennzeichnungstechnologie. © Rea Jet

In den letzten zwei Dekaden haben digitale, berührungslose Beschriftungsmethoden wie die Inkjet-Technologie einen Großteil an Markieraufgaben abgedeckt und das Prägen mit festen Werkzeugen weitgehend ersetzt. Ergänzend hierzu hat sich das Markieren mit Lasertechnik entwickelt und bietet heute viele Möglichkeiten zur Kostenreduktion. Der technisch entscheidende Vorteil der Lasertechnik ist die Symbiose aus der Unverlierbarkeit der Markierung mit der Flexibilität digitaler Kennzeichnungstechnologie ohne Einsatz von Zusatzstoffen. Worauf es beim Laser ankommt, klärt der folgende Beitrag.

Grundlagen der Lasermarkierung

Auch wenn im Idealfall die Bedieneinheit für Laser und Inkjet identisch sind, unterscheiden sich die Funktionsweisen der Systeme intern signifikant. Werden beim Inkjet einzelne Tintentropfen auf das Produkt aufgetragen, was zu der bekannten Definition der Auflösung in DPI, also „Dots Per Inch“ führt, wird beim Laser ein und derselbe fokussierte Laserstrahl (Fokuspunkt) in durchgängigen Linien über das Material geführt.

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Die Laserdruckdatei ist daher eine Vektor-Grafik. Das schließt aber die Simulation von einzelnen Punkten mittels Lasermarker nicht aus. Gebräuchlichste Formate bei Vektordateien sind .DXF und .SVG. Bei der Gestaltung von Texten und Grafiken ist man nicht an bestimmte Zeilenzahlen gebunden, denn der Strahl wird mit einem elektrisch angesteuerten Spiegelsystem, dem sogenannten Galvo-Scankopf und einer nachgeschalteten Planfeldlinse, abgelenkt und fokussiert, und somit das gewünschte Schriftbild oder Logo auf dem Material erzeugt.

Dabei kann der Fokuspunkt sowohl in X- als auch Y-Richtung abgelenkt werden und nicht nur bewegte Teile, sondern auch stationär markieren. Üblicherweise werden auch der reale Materialvorschub und mögliche Geschwindigkeitsschwankungen berücksichtigt und kompensiert, womit Verzerrungen in der Markierung wirksam vermieden werden.

Gegenüber typischen Abweichungen entlang der Z-Achse (Laserstrahlachse) aufgrund von Positionierungstoleranzen oder wegen gekrümmter Produktgeometrien sind Lasersysteme bei richtiger Auslegung der Fokussieroptik weitgehend unempfindlich und erfordern keine aktive Kompensation. Je nach Brennweite der Fokussieroptik kann die Länge (Rayleigh-Länge) eines Laserfokus von einigen Zehntel- bis einigen Millimeter betragen.

Welche Art Laser kommt zum Einsatz?

Hohe Einsparpotentiale ergeben sich bei Doppelextrudern und dem Einsatz nur eines Lasermarkierers für die Beschriftung beider Profile. Hier kommt ein CL 230 mit 30 Watt Leistung zum Einsatz. © Rea Jet

Bei der Lasermarkierung von Extrusionsprodukten wird vorrangig zwischen zwei Strahlquellenarten respektive deren Grundwellenlängen unterschieden. Als grobe Orientierung kann man CO2-Laser für Gravuren in organischen Materialien vorsehen und Faserlaser für Farbumschlagmarkierungen auf Kunststoffen und Metallen.

Wobei die Grenze nicht scharf verläuft: Neben den unterschiedlichen Absorptionscharakteristika der jeweiligen Wellenlängen, abhängig von der Materialkategorie, unterscheiden sich diese auch in der Fokussierbarkeit. Der Faserlaser emittiert typischerweise im Bereich 1.040 bis 1.070 Nanometer und zeichnet sich durch eine zehnmal kürzere Wellenlänge als das CO2-Laserspektrum aus (meist genutztes Spektrum 9,3 bis 10,6 Mikrometer). Damit einher geht eine minimale Fokusgröße von zirka einem Zehntel der CO2-Laser Fokusdurchmesser.

Lasersicherheit

Die industrielle Lasertechnik ist seit knapp 60 Jahre etabliert. In dieser Zeit wurden Kompetenzen sowohl bei den Anlagenbauern als auch den zuständigen Prüfstellen erarbeitet und in Richtlinien und Normen festgelegt, nach denen Installationen abgenommen werden. Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um die DIN EN ISO 13849-1 zur allgemeinen Funktionssicherheit von Anlagen, die schon bei der Produktentwicklung greift, und die DIN EN 60825-1, die sich auf die Sicherheit in Zusammenhang mit Lasertechnik bezieht.

Dem folgend sollte der Bereich rund um den Laserprozess eingehaust und mögliche Streustrahlung außerhalb der Prozesskammer damit unterbunden werden. Es ist nicht erforderlich, das ganze Gerät einzuhausen, sondern lediglich den Arbeitsbereich mit entsprechender Auslegung der Material Zu- und Abführung, um den maximalen Schutz der Laserklasse 1 zu erreichen.

Etablierte Hersteller bieten hierzu neben der Gehäuselösung auch die passende Absaugung mit Filtertechnik aus einer Hand. Doch wie lassen sich Einsparungen erzielen, wo der Lasermarker tendenziell eine höhere Anschaffungsinvestition bedingt?

Warum in Lasertechnik investieren?

Das offensichtlichste Einsparpotential ist der Entfall der Verbrauchsmaterialien sowie die damit verbundenen versteckten Kosten für Materialplanung, Beschaffung, Lagerung und Personal. Des Weiteren entfallen die Stillstandzeiten zur Wartung und Reinigung mit den einhergehenden Servicekosten, wie sie bei mechanischen oder applizierenden Technologien üblich sind. Sowohl die Ablenkeinheit als auch die Laserquelle sind für mehrere 10.000 Betriebsstunden konzipiert. Bei den Lasermarkiergeräten beschränkt sich der Wartungsaufwand daher auf das gelegentliche Reinigen der Fokussierlinse beziehungsweise des Schutzglases. Bei guter Zugänglichkeit ist das ein Eingriff von Sekunden.

Da meist eine Absaugung mit entsprechender Filtertechnik zum Einsatz kommt, sind Filterwechsel der Fairness wegen noch mit in die Kalkulation einzubeziehen. Aufgrund der geringen verdampften Materialvolumen pro Markierung sind hier die Wechselintervalle lang, üblicherweise im Wochen- oder Monatsbereich angesiedelt.

Bei diesem FL 230 Faserlaser ist der Drehimpulsgeber zur Erfassung der Materialgeschwindigkeit dem Prozess vorgelagert, während Laser, Absaugung und Qualitätsprüfung in der kompakten Prozesskammer untergebracht sind. © Rea Jet

Eine elegante Möglichkeit, auch schon auf der Investitionsseite zu punkten, besteht bei Doppelextrudern. Wenn zwei Profile nahe beieinander positioniert sind, kann das große Bearbeitungsfeld eines einzelnen Lasers so ausgelegt werden um damit alternierend beide Profile zu markieren. Wie gesagt: mit nur einem Lasermarker. Damit liegt die Anfangsinvestition in einem ähnlichen Rahmen, es werden jedoch Verbrauchsmaterialen für zwei konventionelle Drucker eingespart.

Neben der Senkung der Produktionskosten lassen sich weitere Kundennutzen aufgrund der Eigenschaften der Lasermarkierung realisieren. Unverlierbar und abriebfest und beständig gegen Lösungsmittel im Rahmen der Beständigkeit des Kunststoffs selbst: Das sind die herausragenden Eigenschaften, mit denen das Endprodukt aufgewertet wird und damit die Nachverfolgbarkeit von der Erstinverkehrbringung bis zum Recycling sowie den Plagiatsschutz zuverlässig gewährleistet. Zudem wäre bei Produkten für das verarbeitende Handwerk noch die Option sehr genaue Längenmaße einzubringen. Die hohe grafische Auflösung der Lasersysteme ermöglicht es, komplexe Logos qualitativ hochwertig auf das Produkt zu übertragen.

Außerdem wird die Lasermarkierung, unabhängig ob Farbumschlag oder Gravur, nicht auf, sondern in das Extrusionsprofil eingebracht. Es sind keine Vor- und Nachbehandlung der Markierfläche erforderlich. Damit stellt die Lasermarkierung einen einstufigen Prozess dar, der rein statistisch weniger fehleranfällig ist als mehrstufige Prozesse mit Vor- und Nachbereitung. Der Laserprozess bietet den Vorteil, dass keine Zusatzstoffe benötigt werden und diese damit auch nicht bewegt werden müssen. Lasermarkierer sind darüber hinaus unempfindlich gegenüber elektrostatischer Aufladung der Extrusionsprofile. Verzerrte Beschriftungen wegen elektrischer Felder sind damit ebenfalls ausgeschlossen.

Grundsätzlich erfolgt vor der Anschaffung einer Markierlösung eine entsprechende Bemusterung. Aber auch bei späteren Änderungen der Anwendung, sei es ein Produktwechsel oder eine geänderte Grafik, ist der Anwender nicht an eine bestimmte Zeilenzahl gebunden. Die optimale Parametrierung kann schnell und meist rein über Eingaben in der Bediensoftware ermittelt werden und erhöht somit die Flexibilität an der Linie.

Obwohl die industrielle Lasertechnik fast 60 Jahre existiert, gibt es noch immer Berührungsängste im Feld. Wer sich der Technologie öffnet, erhält ein flexibles, zuverlässiges und nahezu wartungsfreies Produktionswerkzeug. Wesentliche Vorteile der Laserkennzeichnung sind unverlierbare Produktkennzeichnungen mit maximaler Flexibilität bezüglich des Designs, der hohe Grad an Fälschungssicherheit, und das alles bei gleichzeitiger Reduktion von Materiallogistik und -kosten. Damit lässt sich Nachhaltigkeit nicht nur im Prozess der Produktentstehung leben, sondern auch bei der Verwertung umsetzen und die eigene Wettbewerbsfähigkeit steigern.

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