Schwarzmarkierung für die Lasermaterialbearbeitung

Was versteht man unter einer laserinduzierten Schwarzmarkierung?

Die Anforderungen an industrielle Markierungen steigen zunehmend. Diese Entwicklung geht auch an der industriellen Laserbeschriftung nicht vorbei. Markierungen dienen nicht mehr nur dazu, zu informieren. Indessen sind diese ein wesentliches Produktgestaltungselement, welches hohen ästhetischen Anforderungen genügen muss. Weiterhin nehmen Beschriftungen dieser Art auch eine technische Rolle ein. So stehen die Rückverfolgbarkeit (traceability) sowie die maschinelle Lesbarkeit vieler Anwendungen im Vordergrund. Gefordert werden ein hoher bzw. maximaler optischer Kontrast, ohne dass die Materialoberfläche zerstört wird. Die Erfüllung dieser Kriterien schlossen sich bisweilen einander aus, sodass Anwender und Produktdesigner auf Kompromisse angewiesen waren. Wird die moderne Kurzpulslasertechnologie beherrscht, ist es möglich, die technischen Forderungen an optischen Kontrast und Oberflächenqualität zu erfüllen.

Wie wird die Schwarzmarkierung hervorgerufen?

Ultrakurze Pulse

In der Regel werden sehr kurze Pulse bei einer hohen Frequenz des Ultrakurzpulslasers ausgegeben, um einerseits den Eintrag der Temperatur und damit die Belastung der Oberfläche zu reduzieren. Ultrakurzpulslaser weisen eine Pulsdauer im Bereich von Pikosekunden (Pikosekundenlaser) oder Femtosekunden auf. Da die Pulslängen sich im ultrakurzen Bereich befinden, kommt es nicht zur Übertragung von Wärme im Material und trägt damit zum Schutz der Oberfläche bei. Einerseits wird die passivierende Schutzschicht des Edelstahls kaum zerstört, sodass der Korrosionsschutz nicht beeinträchtigt wird. Andererseits werden Strukturen geschaffen, welche die Reflexion von Licht verhindern, sodass die Lasermarkierung schwarz erscheint. Dieses Verfahren kommt bei metallischen Oberflächen von Edelstahl und Aluminium zum Einsatz. Der Vorteil liegt einerseits in der Erfüllung der geforderten Oberflächenqualität, aber auch darin, dass im Falle von Metallen die Oberfläche durch zu hohe Temperaturen nicht wesentlich beeinflusst wird. Ein weiterer Vorteil ist eine gute Lesbarkeit unter verschiedenen Betrachtungswinkeln.

Diese Technologie findet Verwendung in der Laserkennzeichnung von Produkten aus dem Bereich der Medizintechnik. Solche Medizinprodukte werden zumeist aus Edelstahl gefertigt und verlangen eine Schwärzung durch eine Lasermarkierung auf der Oberfläche. Aber auch Bauteile bestehend aus Aluminium, dass seine Tücken hat, wenn es mit dem Laser beschriftet werden soll, können mit dieser Art der Lasergravur perfekt schwarz beschriftet werden.

“Carbon Migration” auf Metalloberflächen

Kommt es zur Einstrahlung eines Lasers auf eine mit Kohlenstoff dotierte metallische Oberflächenstruktur, kann es bei entsprechenden Laserparametern dazu führen, dass durch den Temperatureintrag der metallischen Gitterstruktur in Schwingungen versetzt wird und der in diesem Gitter gebundene Kohlenstoff durch interne Spannungen an die Oberfläche diffundiert (carbon migration). Diese Abscheidung des Kohlenstoffs auf der Fläche wird als eine schwarze Markierung wahrgenommen. Irrtümlicherweise wird diese Beschriftung häufig mit der Anlassbeschriftung verwechselt. Der Nachteil dieser Strategie liegt darin, dass einerseits das Metallgitter von Kohlenstoff verarmt, sodass sich die Festigkeit deutlich verändern kann. Andererseits kann sich im Falle von Edelstahl häufig die passivierende Schutzschicht nicht nachbilden, sodass die Oberflächen unter Umständen zur Korrosion neigen.

Kontrastreiche Beschriftung auf weißem Kunststoff

Wenn eine Schwarzmarkierung auf einem Kunstsoff gewollt ist, wird dies zumeist in der Kunststoffherstellung berücksichtigt und entsprechende Pigmente zu dem polymeren Granulat beigemischt. Diese absorbieren die Laserstrahlung, welche wiederum durch Reaktionen auf molekularer Ebene einen schwarzen Farbumschlag bewirken. Hierbei wird häufig zu einer Laserwellenlänge von 355 Nanometern gegriffen, da diese nur wenig in die Materialoberfläche eindringt, sie damit schont und durch die hohe Energie der Photonen entsprechende molekulare Reaktionen ermöglicht. Das Ergebnis ist eine Kennzeichnung mit hohem optischen Kontrast.