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Wie funktioniert Laserbeschriftung?

LASER ist die Abkürzung für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Zu Deutsch heißt das: „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“. Alle Lasermarkierer haben drei Hauptbestandteile und arbeiten nach dem gleichen Prinzip:

  1. Lasermedium: Im Inneren des Lasers befindet sich ein laseraktives Medium. Es hat die Fähigkeit, zugeführte Energie auf eine bestimmte Weise zu speichern (Populationsinversion). Übermäßig gespeicherte Energie gibt es in Form von Licht (Photonen) ab.
  2. Erregungsmechanismus: Dies ist der Mechanismus, durch den Energie verwendet wird, um die Partikel des Lasermediums zu erregen (Atome oder Moleküle). Energie kann z. B. aus elektrischem Strom, Entladungen oder Lichtquellen zugeführt werden.
  3. Optischer Resonater: Hier wird die gespeicherte Energie in Form eines Laserstrahls aus dem Lasermedium heraus gezogen. In der einfachsten Form besteht der optische Resonator aus einem Spiegel an jedem Ende des Lasermediums. Diese Spiegel befinden sich parallel zueinander, sodass Photonen, die an der Achse der beiden Spiegel entlang laufen, ständig zwischen den Spiegeln reflektiert werden (resonieren). Einer der beiden Spiegel ist 100 % reflektierend. Der andere nur teilweise, sodass einige nicht reflektierte Photonen durchgelassen werden.

So wird ein Laserstrahl erzeugt:

Wenn die Photonen das Lasermedium passieren (bedingt durch einen Prozess, der als stimulierte Emission bezeichnet wird), verursachen sie, dass erregte Partikel des Lasermediums überschüssige Energie in Form von anderen Photonen freisetzen. Diese neuen Photonen sind identisch mit den Originalphotonen, die die stimulierte Emission verursacht haben. Sie haben dieselbe Farbe (Wellenlänge), laufen in dieselbe Richtung und sind phasengleich. Die Photonen, die durch den teilweise reflektierenden Spiegel ausgekoppelt werden, bilden den Laserstrahl. Die übrigen Photonen werden in das Lasermedium zurückgespielt, um den stimulierten Emissionsprozess fortzusetzen.

Vorteile der Laserbeschriftung

Die Laserbeschriftung bringt eine ganze Reihe attraktiver Vorteile mit sich:

  • Die Markierung ist nicht entfernbar, da sie dauerhaft abrieb-, wisch- und wasserfest, somit auch besonders fälschungssicher ist.
  • Feinste Details sind sauber und kontrastreich, nahezu in „Briefdruckqualität“ lesbar.
  • Lasersysteme arbeiten mit Höchstgeschwindigkeit und können so die Produktivität steigern.
  • Beschriftungslaser benötigen keine Verbrauchsmittel wie Etiketten oder Tinte.
  • Produkte mit unebenen Oberflächen können berührungslos in Bewegung und ohne Fixierung markiert werden.
  • Durch das berührungslose Verfahren werden keine Verschleißteile abgenutzt, sodass weniger Stillstände notwendig sind.
  • Die Lebensdauer beträgt bis zu 100.000 Betriebsstunden.
  • Laserbeschrifter zählen zu den zuverlässigsten industriellen Markiersystemen auf dem Markt.

Einsatzgebiete und Anwendungen für die Laserbeschriftung

Laserbeschrifter können sowohl Text und alphanumerische Zeichen als auch 2D-Codes und Grafiken direkt auf Produkte und Verpackungen aufbringen. Auch das Drucken von variablen Daten aus Datenbanken und Excel-Listen ist problemlos möglich. Somit lassen sich zahlreiche Anwendungen in allen Branchen realisieren. Beispiele hierfür sind:

Welche Oberflächen sind für die Laserbeschriftung geeignet?

Eine Lasermarkierung wird erreicht, indem Material vom Untergrund entfernt wird oder die Oberfläche des Substrats verändert wird. Gerne prüfen wir, ob die Laserbeschriftung auf Ihrem Produkt möglich ist – Sie können bei uns eine kostenlose Bemusterung anfragen.
Sehr gute Ergebnisse lassen sich beispielsweise auf den folgenden Untergründen erzielen:

Metall:

In der Metallindustrie und Automobilindustrie wird die Laserbeschriftung häufig eingesetzt, um abriebfeste sowie fälschungssichere Markierungen zu erzeugen oder Bauteile (z. B. aus Edelstahl oder Aluminium) dauerhaft rückverfolgbar zu machen.

Glas:

Auch auf Glas kommen Beschriftungslaser zum Einsatz. Wie bei allen anderen Oberflächen ist die Beschriftung dauerhaft und abriebfest. Insbesondere in der Getränkeindustrie findet eine Laserbeschriftung auf Glas oft Verwendung.

Kunststoff:

Kunststoff kommt in vielen Produkten und in verschiedenen Zusammensetzungen zur Anwendung. Er ist hervorragend für die Laserbeschriftung und Lasergravur geeignet.

PET-Flaschen:

Bei Plastikflaschen, die nur aus sehr dünnem Kunststoff bestehen, kann die Laserbeschriftung problemlos eingesetzt werden.

Holz:

Holzprodukte sind oft der Witterung oder aggressiven Stoffen wie Spül- und Waschmittel ausgesetzt. Eine Laserbeschriftung bleibt auch beim Einsatz dieser Substanzen bestehen.

Folie und Folienverpackungen:

Selbst dünne Kunststofffolie kann mit einem Beschriftungslaser codiert werden, ohne dass die Verpackung oder das innenliegende Produkt beschädigt werden.

Karton und Papier:

Auch Kartonagen, lackierte Faltschachteln und Papieretiketten lassen sich per Laser präzise, kontrastreich und blitzschnell beschriften. Der Laserstrahl verändert nur die oberste Materialschicht, ohne die Verpackung zu durchdringen. Er ist außerdem unempfindlich gegenüber Staub, der sich bei der Kartonverarbeitung bilden kann.

Gummi:

In vielen Branchen werden Dichtungsringe und andere Produkte aus Gummi eingesetzt. Oft müssen diese bis zur Produktionsstätte hin zurückverfolgt werden. Um eine Manipulation auszuschließen kommen hier häufig Laserbeschriftungen zum Einsatz. Die Eigenschaften des Materials werden nicht beeinträchtigt.

Lebensmittel:

Lebensmittel beschriften mit Laser? Natural Branding ist eine nachhaltige Alternative zum Etikett oder zur Plastikverpackung. Logo, Bio-Siegel und andere Kennzeichnungen können mittels Lasertechnik direkt auf essbare Oberflächen oder auf die Schale von Obst und Gemüse (z.B. Kartoffel, Avocado etc.) aufgedruckt werden. Geschmack, Qualität und Haltbarkeit werden dadurch nicht beeinflusst.

Keramik:

Ob Blumentöpfe im Garten oder Tassen in der Spülmaschine: Produkte aus Keramik sind häufig rauen Umgebungen ausgesetzt. Hier ist eine dauerhafte Laserbeschriftung oft die richtige Wahl.

Welche Arten von Laserbeschriftung sind zu unterscheiden?

Um die besten Ergebnisse zu erzielen, muss der Laserstrahl in den obersten Mikrometern der Materialoberfläche absorbiert werden, sodass eine ausreichende Energiedichte besteht, um die Oberfläche durch einen der folgenden Vorgänge zu verändern:

Lasergravur / Laserätzen:

Hierbei lässt der Laser Material von der Substratoberfläche verdampfen, ohne dass dabei eine Farbänderung entsteht. Die so entstandene Vertiefung ähnelt einem Prägedruck und kann typischerweise bis zu mehrere Zehntel Millimeter tief sein.

Abtragen der Beschichtung:

Wenn durch das Abtragen eine darunterliegende, andersfarbige Lage zum Vorschein kommt, nennt man dies „Farbabtrag“. Das Gravieren bzw. Abtragen ist geeignet für (ggf. beschichtete) Metalle, Kunststoffe, Lacke, Keramiken und Laserbeschriftungsfolien.

Anlassen:

Einige Metalle verändern ihre Farbe bei Wärme- und Sauerstoffeinwirkung. Da aufgrund des Oxidationsprozesses nur Gefügeveränderungen stattfinden, erzeugt dieses Verfahren keinen Materialabtrag. Das Verfahren funktioniert z. B. bei Eisenmetallen und Titan. Besonders interessant ist es u. a. für bereits endbearbeitete Oberflächen oder in der Medizintechnik, um erhöhte Sterilisationsvoraussetzungen zu erfüllen.

Karbonisieren und Aufschäumen:

Kunststoffe verändern in Folge einer thermochemischen Reaktion die Farbe, wenn sie so hoch erhitzt werden, dass die Molekularverbindungen durchbrechen. Das so entstandene Material kann eine andere Farbe annehmen, sodass eine erkennbare Markierung entsteht. Ob die Oberfläche dabei heller oder dunkler wird, hängt von der Zusammensetzung des Werkstoffs ab.
Bei hellen Kunststoffen entstehen durch den Laserstrahl schwarze Rußpartikel, die für eine dunkle Verfärbung sorgen. Um dunkle Kunststoffe weiß zu verfärben, wird die Oberfläche durch den Laserstrahl aufgeschmolzen. Dabei bilden sich Gasbläschen, die das Licht reflektieren und diesen Bereich heller erscheinen lassen. Wenn die schaumartigen Gasbläschen spürbar über die Oberfläche hinausragen, spricht man von „Aufschäumung“.

Welche Lasertypen gibt es?

Obwohl alle Laser nach demselben Prinzip arbeiten, gibt es verschiedene Typen und Arten. Sie unterschieden sich in ihrer Art, ihrer Konstruktionsweise, den verwendeten Materialien und den Eigenschaften des Lasers.

Die verschiedenen Lasertechnologien

Abhängig vom Aufbau des Markierkopfes wird zwischen den folgenden Laserverfahren unterschieden – wobei sich der Vektorlaser heute im Industriebereich als "state of the art" durchgesetzt hat:

Vektorlaser:

Vektorlaser ermöglichen frei programmierbare Markierungen und schnell wechselnde Drucke in einem bestimmten Arbeitsfeld, das durch auswechselbare Objektive in der Größe verändert werden kann. Der Laserstrahl wird durch Ablenkspiegel wie ein Stift geführt, sodass eine durchgängige und qualitativ gleichbleibende Beschriftung erreicht wird.

Dot-Matrix-Laser (veraltete Technologie):

Dot-Matrix-Laser können nur eine Matrix aus wenigen vorgegebenen Punkten markieren. Es wird zwischen Ein- und Mehrlasersystemen unterschieden. Bei Mehrlasersystemen ist für jede Reihe eine eigene Laserröhre zuständig. Problem hier: Nachlassende Schreibstärke oder geringfügige Dejustierungen (Fokus!) führen zu selektiv schwächeren Dot-Reihen. Bei Einlasersystemen bringt ein rotierender Polygon-Spiegel den Laserstrahl Raster für Raster auf. Zwar können mit beiden Laserverfahren variable Inhalte aufgebracht werden, doch sind Vektorlaser mittlerweile schneller und leistungsfähiger.

Maskenlaser (veraltete Technologie):

Maskenlasermarkieren feststehende Kennzeichnungsinhalte mit Hilfe einer Schablone. Ändern sich die aufzubringenden Daten, muss die Schablone ausgetauscht werden. Es existieren auch Vorrichtungen, bei denen die Schablonen mechanisch verändert werden können – zum Beispiel mit Hilfe von Typenrädern. Zusätzliche Kosten für die Maske und Produktionsausfallzeiten für das Umrüsten des Lasers sind hier einzukalkulieren. Auch ist das Schriftbild nicht durchgängig. Die Schrift erscheint nicht gestochen scharf und fokussiert auf dem Produkt, sondern mit flächigen Elementen. Abgesehen von der schlechteren Lesbarkeit muss die Verteilung der Laser-Leistung auf eine Fläche durch höhere Laserleistung kompensiert werden. Das führt zu höheren Kosten. Bei häufig wechselnden individuellen Kennzeichnungen hat sich der Maskenlaser nicht durchgesetzt.

Die verschiedenen Laserarten

Bei Bluhm Systeme werden ausschließlich die oben beschriebenen Vektorlaser angeboten, die nach dem Prinzip der Strahlumlenkung mittels Spiegel arbeiten. Sie haben den Vorteil, dass sie eine gleichbleibende Beschriftung ermöglichen und ständig wechselnde Produktinformationen aufbringen können. Außerdem besitzen sie austauschbare Linsen, sodass verschiedene Arbeitsfeldgrößen beschrieben werden können.

Je nach Bauart kommen verschiedene laseraktive Medien in den Vektorlasern von Bluhm Systeme zum Einsatz. Wir unterscheiden zwischen den folgenden Laserarten:

  1. CO2-Laser arbeiten mit einer Gasmischung, die zur Erzeugung des Laserstrahls angeregt wird.
  2. Faserlaser sind Festkörperlaser, bei denen der dotierte Kern einer Glasfaser das Lasermedium bildet.
  3. YAG-Laser sind ebenfalls Festkörperlaser, bei denen das laseraktive Medium ein YAG-Kristall (Yttrium-Aluminium-Granat) ist.

Kriterien für die Auswahl des passenden Lasersystems

Das Ergebnis der Laserbeschriftung ist davon abhängig, wie gut das codierte Material den Laserstrahl absorbiert. So kann die zu verwendende Laserart bestimmt werden, da verschiedene Wellenlängen unterschiedliche Absorbierungseigenschaften haben. Falls der Laserstrahl hindurch dringt oder reflektiert wird, ist das Codieren schwierig oder sogar unmöglich.

Viele Parameter beeinflussen sowohl die Markierbarkeit eines Produktes als auch die Geschwindigkeit, mit der es codiert wird:

  • Material und die Farbe der Oberfläche
  • Beschriftungsart
  • Markierfeldgröße
  • Beschriftungs- bzw. Produktionsgeschwindigkeit
  • Benötigte Leistungsstärke

Bei der Auswahl des richtigen Lasersystems ist viel Erfahrung notwendig. Bei Bluhm Systeme schauen wir uns jeden Kundenfall individuell an. Dazu gehört, dass wir kostenfreie Tests mit Ihrem Produktmuster durchführen, bevor wir Ihnen das ideale Lasersystem empfehlen.

Was kostet eine Laserbeschriftungsmaschine?

Das ist in erster Linie von der geplanten Anwendung und dem geeigneten Lasertyp abhängig. Allgemein sind Lasermarkierungssysteme in der Anschaffung zwar etwas teurer, doch im direkten Vergleich mit Tintenstrahldruckern oder Etikettiermaschinen zeigt sich: Da die Systeme nahezu wartungsfrei sind und keine Verbrauchsmittel benötigen, rechnet sich der Kauf in vielen Fällen schnell.

Hinzu kommt, dass die Investition besonders langfristig ist. Obwohl sich die Lasertechnologie insgesamt sehr schnell entwickelt, ist die Relevanz dieser Fortschritte für die Markieranwendungen in der Produktkennzeichnung begrenzt. Die Veränderungen sind eher von evolutionärer als von revolutionärer Natur.

Arbeitssicherheit bei Laserbeschriftungsgeräten: Was ist zu beachten?

Bei unzureichenden Schutzvorkehrungen und falscher Handhabung können Laserstrahlen Sach- und Personenschäden verursachen. Deshalb müssen bestimmte Unfallverhütungsvorschriften im Betrieb eingehalten werden. Zu diesem Zweck werden Lasergeräte anhand der sogenannten GZS-Werte (Grenzwerte zugänglicher Strahlung) in Laserschutzklassen eingeteilt. Dabei gilt: Je höher die Klassennummer, desto höher das Gefährdungspotential. Die Grenzwerte sind in der Europäischen Norm EN 60825-1 festgelegt.

Bluhm Systeme bietet für alle seine Beschriftungslaser sichere Schutzgehäuse an, mit denen die höchste Laser-Klasse 1 erreicht wird. Das bedeutet, dass die emittierte Strahlung ungefährlich ist und keine zusätzliche Schutzausrüstung benötigt wird.

Verzichtet man auf diese Komplettlösung, können je nach Laser-Klassifizierung weitere bauliche, technische und persönliche Schutzmaßnahmen im Betrieb notwendig sein. Dazu zählen beispielsweise spezielle Abschirmungen, Laserschutzbrillen, Warnschilder oder die Unterweisung durch einen Laserschutzbeauftragten.

Geschichte und Zukunft des Lasers

Laser werden oft für eine neue Technologie gehalten, dabei existieren sie schon länger als viele wissen. Die Laser-Theorie wurde 1957 entwickelt, der erste Laser bereits 1960 hergestellt. Lange Zeit zuvor, um den Jahrhundertwechsel, stellte Albert Einstein Gleichungen auf, die den hauptsächlichen physikalischen Mechanismus beschreiben, durch den Laseraktivität auftritt – obwohl ihm das zu dieser Zeit unbekannt war.

Viele Unternehmen und Regierungseinrichtungen interessierten sich für Laser und begannen, ihre eigenen zu entwickeln, ohne eine bestimmte Anwendung vor Augen zu haben. Dies führte dazu, dass Laser bekannt wurden als „eine Lösung, für die erst ein Problem gefunden werden muss“.

Die ersten Lasermarkiersysteme kamen vor ca. 40 Jahren auf den Markt. Diese frühen Systeme wurden für wissenschaftliche Aufgaben verwendet und waren nicht darauf ausgerichtet, den oft sehr staubigen und nassen Bedingungen im rauen Produktionsumfeld standzuhalten. Außerdem waren sie nicht für den Dauereinsatz geeignet – 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche – etwas, das wir heute voraussetzen. Daher lag der Schwerpunkt auf der Entwicklung widerstands- und leistungsfähigerer Systeme mit dieser Technologie.

Heute werden Laser für spezielle Aufgaben entwickelt. Ihre Eigenschaften sind so ausgerichtet, dass sie mit den Anwendungsbedürfnissen übereinstimmen. Das Spektrum ihrer Einsatzfelder ist breit: Vom Laserschneiden und Laserschweißen in der Metallverarbeitung über die Laserchirurgie in der Medizin bis hin zur Entfernungsmessung beim Tunnelbau.

Auch in der Produktkennzeichnung gewinnen Laserbeschriftungsanlagen immer mehr an Bedeutung: Auf dem Weg in das Zeitalter der Industrie 4.0 bedarf es moderner Technologien für steigende Produktionsgeschwindigkeiten, automatisierte Fertigungsprozesse und gleichzeitig zunehmende Personalisierung. Die Beschriftungslaser von Bluhm Systeme können diese Aufgaben schon jetzt problemlos bewältigen.

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