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Wie funktioniert das Laserätzen?

authorIcon Veröffentlicht von Jerome Landry, 16. Dezember 2019 topicIcon Laserbeschriftung

Das Laserätzen gehört zu den beliebtesten Markierprozessen. Allerdings mangelt es häufig am richtigen Verständnis, was das Ätzen einer Oberfläche bedeutet und wie es tatsächlich funktioniert. Wenn Sie zum Beispiel “Ätzen” in einem Wörterbuch nachschlagen, werden Sie feststellen, dass dort Gravieren als Synonym aufgeführt wird. Allerdings wird jeder Experte für Laser vehement widersprechen, dass Laserätzen das gleiche wie Lasergravur sei.

Aus wissenschaftlicher Sicht ist dies eine gute Definition für Laserätzen:

 

Beim Laserätzen werden Beschriftungen (wie zum Beispiel Datenmatrix-Codes, Seriennummern und Barcodes) durch Schmelzen der Materialoberfläche erzeugt. Die geschmolzene Oberfläche dehnt sich aus, wodurch Unebenheiten von bis zu 80 Mikrometer Höhe entstehen. Dies verändert die Rauheit der Oberfläche und es entsteht ein Kontrast zwischen schwarzen und weißen Bereichen. Im Gegensatz zur Lasergravur verdampft das Material nicht, sondern es schmilzt.

Diese Definition beinhaltet eine Menge wichtiger Punkte. Lassen Sie uns Schritt für Schritt vorgehen, um zu verstehen, wie die Oberfläche schmilzt und wie dadurch Unebenheiten und farbige Markierungen entstehen.

Schritt 1. Der Laser pulst einen Strahl auf die Oberfläche

 

Alle Beschriftungsmethoden haben eines gemeinsam: Der Laserstrahl ist gepulst, wodurch plötzliche Schübe von Energie in spezifizierten Intervallen freigesetzt werden. Innerhalb einer Sekunde kann ein auf 100 W gepulster Laser 100.000 Impulse freisetzen. Jeder dieser Impulse enthält 1 mJ an Energie und kann in der Spitze bis zu 10.000 W erreichen.

Experten sind in der Lage, das System und dessen Parameter so anzupassen, dass sie die Kontrolle über die von dem Laser freigesetzte Energie haben.

Die wichtigsten Parameter sind dabei Impulsabstand und Zeilenabstand. Je näher die Impulse beieinander liegen, desto höher ist die Konzentration der Energie. Die nachfolgenden Bilder zeigen Beispiele für Abstände beim Laserätzen und bei der Lasergravur.

 

Impulsabstand und Zeilenabstand

Laserätzen-Prozess Lasergravur-Prozess
Gleichmäßig verteilte Kreise stellen die Laserpulse beim Laserätzen dar. Im Vergleich zur Lasergravur liegen die Kreise weit auseinander. Gleichmäßig verteilte Kreise stellen die Laserpulse bei der Lasergravur dar. Im Vergleich zum Laserätzen liegen die Kreise nahe beieinander.

Wie Sie feststellen können, liegen die Impulse bei der Lasergravur deutlich näher beieinander als beim Laserätzen. Dies ist eine Folge daraus, dass das Laserätzen weniger Energie verlangt als die Lasergravur. Folglich lässt sich sagen, dass das Laserätzen deutlich schneller ist.

Schritt 2. Das Material absorbiert die Energie des Laserstrahls

 

Wenn der Strahl auf die Oberfläche trifft, wird ein Großteil der Energie des Strahls reflektiert. Der Rest der Energie wird vom Material absorbiert und in Wärme umgewandelt. Beim Laserätzen muss das Material gerade genug Energie absorbieren, dass es schmilzt.

Jede Art von Material absorbiert diese Energie entsprechend ihres Absorptionsspektrums.

Ein Diagramm zeigt die Absorptionsrate von Metallen im Verhältnis zu einer Reihe von Wellenlängen. Die Wellenlängen von Lasern für Festkörper und CO2-Lasern sind in diesem Diagramm ebenfalls gekennzeichnet. Einige Metalle, deren Absorptionsspektren angezeigt werden, sind unter anderem Aluminium, Stahl und Eisen,

Originalarbeit publiziert in Laser Focus World nachgedruckt mit freundlicher Genehmigung durch Endeavor Business Media, LLC.

Lasersysteme setzen Energie frei, indem sie bestimmte Wellenlängen ausstoßen. Wie Sie dem oben abgebildeten Diagramm entnehmen können, absorbieren Metalle mehr Energie von Wellenlängen produziert durch Festkörper-Laser als von CO2-Laser. Darum sind Festkörper-Laser die bessere Wahl zur Metallbeschriftung.

Lassen Sie uns einen genaueren Blick auf Festkörper-Faserlaser werfen, die eine Wellenlänge von 1.064 nm ausstrahlen. Bei dieser Wellenlänge absorbiert Aluminium ≈ 5 % der Energie des Laserstrahls, Eisen absorbiert ≈ 30 % und Stahl sogar noch mehr.

Da Stahl mehr Energie absorbiert als Aluminium, könnte dies zu der Annahme verleiten verleiten, dass das Ätzen von Stahl leichter ist als das Ätzen von Aluminium. Allerdings verhält es sich etwas komplexer. Denn weitere physikalische Eigenschaften sind hier in Betracht zu ziehen, einschließlich des Schmelzpunktes des Materials.

Schritt 3. Die Oberfläche schmilzt und wird formbar

Während die Energie des Strahls in Hitze umgewandelt wird, erhöht sich die Temperatur des Materials, bis es dessen Schmelzpunkt erreicht. Bei solch hohen Temperaturen schmilzt die Oberfläche und wird formbar, wodurch sich dessen Form verändert.

 

Schmelzpunkt verschiedener Metalle
Material Schmelzpunkt
Aluminium 6061 585 °C
Aluminium 380 566 °C
C-Stahl 1425 - 1540 °C
Blei 327,5 °C
Magnesium 650 °C
Edelstahl Qualitätsklasse 304 1400—1450 °C
Edelstahl Qualitätsklasse 316 1375—1400 °C

Schritt 4. Lokalisierte Bereiche erweitern sich, was zu einer Änderung der Oberflächenrauheit führt

Während das Material innerhalb von Millisekunden schmilzt und abkühlt, verändern sich lokalisierte Bereiche auf der Oberfläche. Die Veränderungen der Oberflächenrauheit erzeugen dauerhafte Markierungen.

Wie schauen diese Veränderungen der Rauheit aus? Schauen wir uns hierfür vergrößerte Aufnahmen von einem Elektronenmikroskop an.

Vor dem Laserätzen-Prozess Nach dem Laserätzen-Prozess
Draufsicht auf blankes Aluminium vor dem Laserätzen unter einem Elektronenmikroskop. Die Oberfläche ist verhältnismäßig glatt. Ansicht eines Datenmatrix-Codes eingeätzt auf einer Aluminium-Oberfläche unter einem Elektronenmikroskop. Ein Teil der Oberfläche zeigt diffuse Reflexionen verursacht durch die kleine Veränderungen der Rauheit. Ein weiterer Teil der Oberfläche zeigt Absorbierungen, verursacht durch die chaotischen Veränderungen der Rauheit.

Wie zu erkennen, wird die Oberflächenrauheit fortwährend beeinflusst. Die umgestaltete Oberfläche verändert unsere Wahrnehmung von Farben.

Schritt 5. Markierungen mit hohem Kontrast erscheinen auf der Oberfläche

Farbveränderungen erscheinen als Folge der verschiedenen Muster auf der Oberfläche. Für eine hohe Qualität der Markierungen bieten die Farben Schwarz und Weiß den besten Kontrast.

Die folgenden Schemata zeigen, wie durch Laserätzen diese Farben erzeugt werden.

Diffuse Reflexionen erzeugen Weiß. Schwarz entsteht durch Absorbierung.

Die Linien zeigen kleine Veränderungen der Oberflächenrauheit, welche diffuse Reflexionen beziehungsweise Reflexionen der Linien in alle Richtungen verursachen.

Dort, wo Lichtstrahlen durch die Oberflächenrauheit in verschiedenen Winkeln reflektiert werden (z. B. diffuse Reflextionen), erscheint die Oberfläche weiß.

Eine Linie stellt einen Lichtstrahl dar, den, wenn er auf die Oberfläche reflektiert wird, die chaotische Oberflächenrauheit einschließt, wodurch die Farbe Schwarz erzeugt wird.

Dort, wo durch die Oberflächenrauheit Lichtstrahlen eingeschlossen werden (z. B. absorbiert), erscheint die Oberfläche schwarz.

So werden mittels Laserätzen Markierungen mit hohem Kontrast erzeugt.

Hier sehen Sie eine Videokompilierung des Laserätzens von Aluminium, die zeigt, wie die weißen und schwarzen Farben beim Laserätzen erzeugt werden.

 

Erfahren Sie mehr über Laser-Markierprozesse

 

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Jerome Landry

Trained in physics and physical engineering, Jerome has been working in the high-tech industry for more than 4 years. He is currently a technical sales specialist at Laserax. He has hands-on experience with laser processes and their interaction with materials, as well as with industrial traceability standards. This allows him to guide clients toward the best laser solution.