Kunststoffe und Pigmentierungen für das Beschriften und Schweißen mit Laser

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1 Nr. ERW 78 A Vortrag Technologieseminar 2005 Kunststoffe und Pigmentierungen für das Beschriften und Schweißen mit Laser Silvia Rosenberger, Merck KGaA Dipl.-Ing. (FH) Matthias Hopfner, Allod GmbH & Co. KG

2 Kunststoffe und Pigmentierungen für das Beschriften und Schweißen mit Laser Wolf-Technologieseminar Überblick Vorstellung der Unternehmen Merck KGaA und Allod Werkstoff GmbH Laserschweißen Verfahren: Stumpfschweißen Durchstrahlschweißen Werkstoffe und Additive Absorber und Schweißresultate Lasermarkieren Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 2

3 Was wir bieten: ALLRUNA Pigmenthersteller für Kosmetik Automobillacke Druck Kunststoff Additive für das Lasermarkieren und Laserschweißen von Kunststoffen Werkstoffentwicklungen Thermoplastische Elastomere Spezialcompounds Beratung und Entwicklung Compoundherstellung ALLRUNA Werkstoffe für Laserschweißen und Lasermarkierung von Thermoplasten Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 3 Stumpfschweißen Schritt 1: Schritt 2: Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 4

4 Laserdurchstrahl-Schweißen Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 5 Kontur-Schweißen geringe Laserleistung erforderlich Kontur frei programmierbar geringes Schmelzevolumen kein Schmelzeaustrieb Temperaturregelung mittels Pyrometer möglich Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 6

5 Quasi-Simultan-Schweißen hohe Verfahrgeschwindigkeit (mit Scanner) kleiner Arbeitsraum gute Spaltüberbrückung Prozessüberwachung über Setzweg möglich Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 7 Laserdurchstrahl-Schweißen Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 8

6 Simultan-Schweißen kurze Prozesszeiten unflexibel gute Spaltüberbrückung Prozessüberwachung über Setzweg möglich Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 9 Masken-Schweißen kurze Prozesszeiten exakt positionierte und dünne Schweißnähte unflexibel Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 10

7 Aufteilung der Strahlung Absorption (%) = 100% - [Reflexion (%) + Transmission (%)] Laserabhängig Materialabhängig Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 11 Laserabhängigkeit Wellenlänge Transmissions- und Reflexionsspektrum von PA, Plattendicke 2mm (BASF) Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 12

8 Materialabhängigkeit Kunststoff Additive Verstärkungsstoffe Beinflussungsmöglichkeiten am Compound Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 13 Materialabhängigkeit Thermoplaste TPE Elastomere Duromer e Modul Modul Modul Modul Temperat ur Temperat ur Temperat ur Temperat ur - Gebrauchseigenschaften ähnlich Gummi - thermoplastische Verarbeitung Quelle: Freudenberg

9 Materialabhängigkeit Amorphe Kunststoffe z.b. ABS, PC, PMMA, PS (hohe theoretische Eindringtiefen) geringer Unterschied der Schwindung längs und quer zur Verarbeitungsrichtung geringere Verzugsneigung Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 15 Materialabhängigkeit PMMA / ABS Quelle: Prolas Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 16

10 Additive: Farbmittel ABS Schwarz / PC Farbig Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Quelle: Prolas Page 17 Materialabhängigkeit Teilkristalline Kunststoffe z.b. PE, PP, PA, POM, PBT (theoretische Eindringtiefe: einige Millimeter) unterschiedliche Schwindung längs und quer zur Verarbeitungsrichtung höhere Verzugsneigung Einspanntechnik starke Beeinflussung durch die Abkühlgeschwindigkeit Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 18

11 Materialabhängigkeit Quelle: Prolas Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 19 Polymere Polymere amorph teilkristallin Problem: hohe Transmission bei nm Lichtstreuung = Aufweitung des Laserstrahls Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 20

12 Laserwellenlängen Wellenlänge λ 100nm 400nm 800nm 400µm 25cm UV VIS IR Mikrowellen 308 nm Excímer Laser 808 nm; 940nm; 980nm Dioden Laser 1064 nm Nd:YAG Laser nm CO 2 Laser Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 21 Polycarbonat Makrofol leer Transmission, Reflexion und Absorption einer PC-Folie 808 nm 1064 nm %T,R,A Wellenlänge in nm %T %R %A Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 22

13 Polypropylen Transmission, Reflexion und Absorption von PP nm nm % T,R,A Wellenlänge in nm PP %T ges. PP %RC ges. PP %Abs Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 23 Additive: Farbmittel Farbmittel Farbstoffe Pigmente Konzentration: ca. 1% Problem: hohe Absorption bei nm Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 24

14 Schwierigkeitsgrad natur farbig transparent farbig schwarz schwarz natur - schwarz Schwierigkeitsgrad transparent - schwarz weiß weiß transparent transparent farbig - weiß farbig farbig Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 25 Verstärkungsstoffe Glasfasern lasertransparent lichtstreuend Verschweißbarkeit abhängig von: - Orientierung - Geometrie (Form, Länge) Quelle: ILT, Aachen Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 26

15 Verstärkungsstoffe Glaskugeln, Talkum, Kreide, Kaolin, etc. lichtstreuend beeinflussen Fließverhalten Abhängig von - Konzentration - Korngrößenverteilung % Kaolin nm % T ges %T ger %R ges % A Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 27 Verstärkungsstoffe PA 66 GF30 Schwarz / PA 6 GF30 Natur Schmelztemperaturunterschiede bei lasertransparentem / laserabsorbierenden Partner vorteilhaft Absorption Konvektion Quelle: Hella Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 28

16 Absorber % T,R,A PP natur Wellenlänge in nm PP %T ges. PP %RC ges. PP %Abs % 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 300 PP Kunststoffplättchen mit Absorber Wellenlänge nm 1800 Kunststoffplatte # 4350 A PP %T ges. Kunststoffplatte # 4350 A PP %RC ges. Kunststoffplatte # 4350 A PP %Abs ges. Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 29 Hart-Weich-Verbindungen Quelle: LPKF Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 30

17 Metalloxide Steuerung des Absorptionsverhaltens % Absorption nm Wellenlänge in nm %A LS830 Lazerflair 830 LS820 %A Lazerflair 820 LS825 Lazerflair %A 825 Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 31 2-Schicht-Substrat-Pigment Metalloxid-Schicht Glimmer-Substrat Metalloxid-Schicht Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 32

18 Konzentrationsabhängigkeit Absorption von Lazerflair 820 Absorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge 70 % Absorption % Wellenlänge in nm 0,5% LS820 1% LS820 2% LS820 3% LS ,5% LS820 1% LS820 2% LS820 3% LS820 Konzentration Lazerflair 820 Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 33 Schweißqualität 25 Phase II Festigkeit in N/mm² Phase I Phase III Quelle: LZH Hannover Streckenenergie in J/cm Phase I: Phase II: Phase III: Haftung; Adhäsion optimaler Bereich Materialzersetzung; Verklammerung Verbrennung Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 34

19 Vergleich der Schweißgeometrie von Lazerflair 820 mit Ruß in PP µm Tiefe Breite Geometrie der Schweißnaht 1% Lazerflair 820 bei 40% Schweißgeschindigkeit 0,15% Ruß bei 60% Schweißgeschwindigkeit Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 35 Zug-Scher-Festigkeit Es wurden PP natur mit PP (laserabsorbiernd)* verschweißt Festigkeit in MPa % Lazerflair 820* 0,15% Ruß* Laser: Diodenlaser 940nm; mittlere Leistung 250W; 10% <=> 2cm/s Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 36

20 Oberflächenabsorption Laserbeam Titandioxid Pressure Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 37 Volumenabsorption Laserbeam Absorption Pressure Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 38

21 Absorber nm 1064 nm 2% Lazerflair % TiO2 1% Lazerflair % TiO2 Absorption in % Wellenlänge in nm Makrolon 1260/ Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 39 Absorber PP rot lasertransmittierend PP rot laserabsorbierend 100 Transmission und Reflexion im NIR Prolas GmbH 100 Transmission und Reflexion im NIR Prolas GmbH Transmission Reflexion Absorption Transmission Reflexion Absorption % % W ellenlänge [nm] Material: Handelsname: 914T/Allod Plattendicke: 2 mm File: s:/verwaltung/spektren/sonstige/914t-rot opj Datum: User: S.Jung 1000 [nm ] Trans Refl Absorb a * ,43 20,53 20,04 6, ,76 18,86 21,39 6, ,92 18,47 21,60 6, ,67 17,99 21,34 6, ,25 17,61 20,13 7,14 0 Wellenlänge [nm] Material: Handelsname: 914A/Allod Plattendicke: 2 mm File: s:/verwaltung/spektren/sonstige/914a-rot opj Datum: User: S.Jung 1000 [nm ] Trans Refl Absorb a* ,48 11,97 54,55 2, ,34 10,46 57,20 1, ,28 10,10 57,62 1, ,06 9,96 57,97 1, ,49 9,01 59,50 1,88 Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 40

22 Was fehlt... Eindringtiefe Messungen Festigkeitsmessungen Absorptionsspektren TiO2 und TIO2 + Lazerflair Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 41 Lasermarkierung Bei der Lasermarkierung spielt das Absorptionsvermögen der Additive eine untergeordnete Rolle Das Ergebnis der Lasermarkierung hängt ab von Kunststofftypen, Additiven, Farbstoffen und Lasertyp Absorptionsverhalten und Teilchengröße der Additive beeinflusst wesentlich das Markierresultat Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 42

23 Lasermarkieren Direktmarkierung Einflussfaktoren Laseradditive Schlussfolgerung LCT Technologie Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 43 Wellenlänge λ nm µm UV VIS IR 100nm 380nm 780nm - 400µm Excimer Laser UV-Bereich: nm Farbänderung im Pigment Nd:YAG-Laser NIR-Bereich: 1064nm Polymerreaktion bei gepulsten Lasern CO 2 -Laser IR- Bereich: 10,6µm Polymerreaktion bei gepulsten Lasern Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 44

24 Auswahl Das richtige Laseradditiv PP natur + 0,8% TiO2 PP mit 0,25% Lazerflair Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 45 Funktionsprinzip der Direktmarkierung von Kunststoffen mit dem Laser: LASER Carbonisierung des umgebenden Polymers LASER Dunkle Markierung PC, ABS. PBT, PET Absorption der Laserstrahlung LASER Aufschäumen des umgebenden Polymers Helle Markierung PA, PMMA, POM Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 46

25 Beispiel Bremsflüssigkeitsbehäter in PP Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 47 Das Markierverhalten verschiedener Kunststoffe Direktmarkierung Gliederung Einflussfaktoren Laseradditive Schlussfolgerung PC PS PET ABS PBT PE PP POM PA TPE Carbonisierung (dunkle Markierung) Aufschäumen (helle Markierung) Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 48

26 Ergebnis Was beeinflusst die Markierung? Direktmarkierung Gliederung Einflussfaktoren Laseradditive Schlussfolgerung Lasertype und verwendete Wellenlänge die Kunststofftypen die verwendeten Additive, Füllstoffe und Farbstoffe Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 49 Auswahl Das richtige Farbmittel Direktmarkierung Gliederung Einflussfaktoren Laseradditive Schlussfolgerung grün: PV-Echtgrün GG01 rot: Chromophthal DPP Rot BP blau: PV Echtblau B2G01 Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 50

27 LCT - Laser Color Transfer LCT - Technologie Flexibilität Individualisierung der Markierung Dauerhaftigkeit langzeit Produktschutz Hohe Auflösung Miniaturisierung Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 51 LCT - Technologie funktioniert auf schwarz und auf weiß ist z.zt. entwickelt für Polyolefine ist geeignet für thermoplastische Polymere ist flexibel und beständig; spülmaschinenfest, abriebfest, fälschungssicher Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 52

28 Vielen Dank...für Ihre Aufmerksamkeit Fragen? Silvia Rosenberger Merck KGaA Pigments Industrial Plastics Frankfurter Strasse Darmstadt Tel: 06151/ Matthias Hopfner Allod Werkstoff GmbH &Co.KG Steinacher Strasse Burgbernheim Tel: 09843/ Matthias.hopfner@allod.com Lasermarkierung und Laserschweißen von Kunststoffen Page 53