Blog Webinar follow-up mit Merck: Wie Lasermarkierung mit funktionalen Pigmenten verbessert werden kann

Silvia Rosenberger, Technical Marketing Manager bei Merck KGaA, Darmstadt Germany, hielt am 14. Januar 2021 einen Vortrag im Rahmen der FOBA-Webinar Reihe "Virtual Manufacturing Day 2020". Als Expertin für Laserpigmente erklärte sie gemeinsam mit ihrem Kollegen Stefan Gutberlet, Global Marketing Manager Industrial Pigments, wie Kunststoffe optimiert werden können, um beste Lasermarkierergebnisse zu erzielen.

Während des sehr gut besuchten Webinars kamen zahlreiche Fragen auf, die aus Zeitgründen nicht alle beantwortet werden konnten. Daher stellen Silvia Rosenberger und Stefan Gutberlet im Nachgang zum Webinar freundlicherweise ihre fehlenden Antworten im FOBA-Blog zur Verfügung.

Die Aufzeichnung des Webinars "Lasermarkierung von Polymeren und die Verbesserung durch Laserpigmente" vom 14. Januar 2021 ist auf Abruf verfügbar unter https://page.fobalaser.com/FOBA-WBN-VMD-Merck-2020-EN_WBN-LP-OnDemand-EN.html

Kurz und bündig: Was ist der Vorteil der Verwendung von Laserpigmenten?

Stefan Gutberlet: Die Kunden fragen entweder nach einer Verbesserung der Geschwindigkeit oder der Markierqualität. Also sagen wir: Wenn die Laser schneller werden, muss das Material mithalten. Und genau das tun unsere Pigmente. Sie verbessern die Markiergeschwindigkeit, den Kontrast und die Linienschärfe bei gepulsten DPSS- oder Faserlasern in Polymeren. Ohne Laserpigmente markieren die meisten Polymere grundsätzlich nicht. 

Warum beziehen Sie sich hauptsächlich auf Faserlaser bei der Lasermarkierung von Kunststoffen?

Stefan Gutberlet: Faserlaser sind das Arbeitspferd unter den heutigen Lasern. Sie sind robust und arbeiten über Jahre hinweg 24/7 mit kaum Wartungsarbeiten. Zudem haben sie an Leistung zugelegt, was eine noch schnellere Beschriftung ermöglicht. Also: Wenn Kunden Prozessstabilität, Beschriftung im laufenden Betrieb und geringen Wartungsaufwand suchen, ist ein Faserlaser die beste Wahl. Im Gegensatz dazu sind DPSS-Laser (YAG und Vanadat) immer noch eine gute Wahl, wenn die Qualität der Lasermarkierung und nicht die Geschwindigkeit der limitierende Faktor ist.

Reagieren Ihre Pigmente außer auf IR-Laser auch auf andere Laser-Wellenlängen? Was ist, wenn wir einen UV-Laser mit niedriger Leistung haben?

Silvia Rosenberger: UV-Laser haben den Vorteil, dass sie teilweise auch ohne Laserpigmente funktionieren können. Sie erhalten bereits mit TiO2 im Polymer eine Farbreaktion. Aber was ist, wenn Sie ein transparentes Polymer haben? Wir haben gesehen, dass auch hier unsere Laserpigmente helfen können, eine dunkle Markierung mit dem UV-Laser zu erreichen. Darüber hinaus haben wir gesehen, dass bei einer schwarzen Formulierung das Weglassen des Rußes und dessen Ersatz durch unser schwarzes Iriotec® 8835 hilft, die Haltbarkeit der hellen Markierung zu verbessern. Die weiße Markierung mit Iriotec® 8835 war viel stärker als im Vergleich zu einer schwarzen Formulierung mit Ruß. Aber natürlich empfehlen wir, selbst Anwendungstests durchzuführen, da es immer eine Frage des Systems ist: Polymer, Laserpigment, Lasereinstellungen und Anwendungen.

Gibt es auch Pigmente für die Optimierung der CO2-Lasermarkierung?

Silvia Rosenberger: Eigentlich sehen wir bei CO2 nur die Gravur im Polymer, auch mit Laserpigmenten. Bei der Wellenlänge von 10,6 µm und 9,3 µm bei den CO2-Lasern wird das Material verdampft. Wir denken, das hat mit der fehlenden Pulsenergie und dem Wärmeeinfluss über die Zeit zu tun. Bei gepulsten Lasern bekommt man aus einem 10 W-Laser vielleicht 5000 W über eine Dauer der Pulslänge von Nanosekunden, während die Pulse der CO2-Laser quasi-simultan sind und nicht die hohe Pulsenergie aufweisen; das bedeutet einen konstanten Energieeintrag über die Zeit in das Material.


Welche Markiergeschwindigkeit kann ich mit Ihren Pigmenten erwarten?

Stefan Gutberlet: So schnell, wie Ihr Laser es kann! Aber das hängt auch von Ihrem Design und Ihren Erwartungen ab. Die erste Frage ist also: Wie definieren Sie die Markiergeschwindigkeit? Ein Aspekt ist die Empfindlichkeit des Materials: Mit einer optimierten Pigmentierung ist es möglich, den Lasermarkiervorgang schneller zu machen. Aber eine Markierung, an die Sie denken, könnte ein Logo, ein QR-Code oder einfach eine Chargennummer sein. Und wie Sie sich vorstellen können, unterscheiden sich die Markierzeiten je nach dem Bereich, den Sie markieren möchten: Eine einfache Linie zu markieren ist natürlich schneller als definierte Bereiche zu markieren.

Erlauben Ihre Pigmente Farbmarkierungen? Oder ist es nur Weiß und Schwarz?

Stefan Gutberlet: Die Markierung ist weder weiß noch schwarz, sondern immer grau. Eine Graustufenmarkierung, von fast weiß bis sehr dunkel. Das hat mit den Nebeneffekten zu tun, wie z.B. dem Aufschäumen, wenn man einen Farbwechsel wünscht oder andersherum. Der Farbeinfluss des Laserpigments ist überschaubar. Zusammenfassend: Sie wollen es in Ihrer farbigen Polymerformulierung erst sehen, wenn sie gelasert ist.

Es ist möglich, farbige Markierungen in dunkel gefärbten Formulierungen zu erzielen, indem man einen organischen Farbstoff in der dunklen – in der Regel schwarzen – Formulierung versteckt. Die Ergebnisse sehen schick aus, aber die Formulierungen sind in der Industrie nur begrenzt einsetzbar, da die Identifikation im Allgemeinen das Ziel ist und dekorative Eigenschaften nur selten erforderlich sind.

Was ist Ihr Ratschlag für die Optimierung von transparenten Materialien?

Silvia Rosenberger: Bei transparenten Materialien müssen Sie möglicherweise einen Kompromiss zwischen Markiergeschwindigkeit und Farbeinfluss des Laserpigments finden. Unser transparentestes Laserpigment ist Iriotec® 8825, das normalerweise in einer Konzentration von 0,1 - 0,3 % verwendet wird. Bei einer Dünnschichtanwendung sehen Sie die Trübung des Produkts möglicherweise überhaupt nicht, während Sie bei dickeren Teilen die Lichtstreuung und auch einen gewissen Farbeinfluss sehen.

Mit welchen Polymeren sind Laserpigmente kompatibel?

Silvia Rosenberger: Ich sehe zwei Möglichkeiten, die Frage zu verstehen: kompatibel im Sinne von "kompatibel mit dem vorhandenen Polymerprozess" oder im Sinne von "ergibt es eine gute Lasermarkierung"? Ich vermute, Sie als Anwender wollen in beiden Fällen eine positive Antwort: gute Verarbeitbarkeit, plus gute Markierergebnisse. Da es so viele verschiedene Polymere, Farben und weitere Pigmente gibt, sehen wir mehrere Möglichkeiten: Erstens kennt Ihr Masterbatchbetrieb bereits unsere Pigmente und deren Kombinationen und Sie fragen ihn nach einem Rat oder Material. Zweitens können Sie sich auf unserer Webseite Iriotec.com informieren, wo wir einen Produktkonfigurator installiert haben.  Sie geben Ihr Polymer und dessen Farbe ein und Sie erhalten ein bis drei Empfehlungen, welches Pigment am besten zu verwenden ist. Ihnen werden auch lasermarkierte Kunststoffchips aus unseren Demo-Boxen angezeigt, welche wir hergestellt haben, um unseren Kunden zu zeigen, wie gut eine Markierung sein kann. Auch, um einen realistischen Blick auf das zu geben, was mit dem Laser möglich ist. Denn es gibt kein echtes Weiß und keine 100%ige schwarze Markierung, sondern es sind viele Grautöne möglich. Im Allgemeinen werden unsere Lösungen in allen Arten von Polymeren eingesetzt. In sehr seltenen Fällen kann es jedoch sein, dass es keine Empfehlung gibt, z.B. bieten wir keine für CO2-Laser geeigneten Pigmente an.

Wie können Laserpigmente in ein Polymer integriert werden?

Silvia Rosenberger: Laserpigmente werden wie Polymerfarbstoffe behandelt, sie werden zu einem Masterbatch oder Compound hinzugefügt, genau wie bei anderen Farbstoffen. Wenn Sie es bereits gewohnt sind, Ihr Produkt einzufärben, werden Sie genau wissen, was zu tun ist. Unsere direkten Kunden sind die Masterbatcher oder Compoundeure. Ein Masterbatch ist ein Farbkonzentrat, das während des Spritzgießens, der Extrusion oder eines anderen Polymerprozesses verwendet wird. Die Einarbeitungsrate eines Masterbatches liegt normalerweise bei 1-4%. Die Pigmente sind also in das Polymer eingearbeitet.

Wie groß ist die Teilchengröße dieser Pigmente?

Silvia Rosenberger: Wir bieten Pigmente in verschiedenen Größen an. Iriotec 8850 ist mit < 1 µm sehr vergleichbar mit einem TiO2-Pigment. Wir haben auch Plättchenpigmente auf Glimmerbasis, die eine mittlere Teilchengröße von ca. 12 µm haben. Aber das ist in der Regel die Aufgabe des Masterbatchers, die Pigmente in das Polymer einzuarbeiten und gut zu dispergieren für eine einfache Handhabung während des Formprozesses.

Wie unterscheiden sich Ihre Pigmente in Bezug auf die Leistungsempfindlichkeit gegenüber höherer oder niedrigerer Energie?

Silvia Rosenberger: Eine sehr gute Frage, und ich möchte eigentlich sagen, ja, es gibt so etwas wie eine Aktivierungsenergie. Ich habe den Eindruck, dass Iriotec® 8210 eine niedrigere Aktivierungsenergie hat als Iriotec® 8208 und 8850; deshalb sehen wir, dass die Kombination von Iriotec® 8850 und Iriotec® 8210 eine dunklere Markierung erzielt als beide allein; 8850 wird wegen der Geschwindigkeit gewählt, während 8210 die Aktivierungsenergie senkt. Iriotec® 8208 ist das beste in Bezug auf Kontrast und Markiergeschwindigkeit und ist bei fast allen Lasereinstellungen gleich dunkel, was dieses Produkt so einzigartig macht. Umgekehrt ist Iriotec® 8825 das Arbeitspferd unter den Laserpigmenten, da es am "universellsten" ist, aber auch die meiste Laserleistung und langsamere Geschwindigkeit benötigt, um im Vergleich akzeptable Lasermarkierungen zu liefern.

Es scheint spezielle Iriotec®-Pigmente für jedes Polymer zu geben: aber ist es möglich, mehrere Iriotec®-Pigmente zu kombinieren, um eine spezielle Lösung zu erhalten?

Silvia Rosenberger: Auch hier, ist dies die Aufgabe des Masterbatchers, da er am besten weiß, welche Kombinationen gut zu den anderen Komponenten einer Formulierung passen. Aber ja, manchmal empfehlen wir eine Kombination, da das eine Pigment am besten in der Geschwindigkeit und das andere am besten im Kontrast ist, so dass Kombinationen zwar gut sein können, aber in anderer Hinsicht Herausforderungen mit sich bringen. Die Synergie zwischen den Laserpigmenten hängt von vielen Faktoren ab, so dass es keine festgelegte Mischung funktionaler Pigmente gibt, die für eine bestimmte Anwendung und bestimmte Kriterien eine bestimmte Synergie aufweisen könnte.

Gibt es nachteilige Wechselwirkungen von Iriotec® mit Polymeren, Additiven oder Pigmenten?

Silvia Rosenberger: Wir haben inerte und stabile Materialien. Daher sage ich gerne: keine Wechselwirkungen. Aber da es im Leben keine 100% gibt, kann es sein, dass ich etwas nicht bedacht habe. Wenn ich jetzt z.B. darüber nachdenke, wissen wir, dass es Flammschutzmittel gibt, die zum Aufschäumen neigen: Wenn Sie also mit dem Laser eine dunkle Markierung erreichen wollen, kann es sein, dass das Flammschutzmittel gleichzeitig mit dem Laser reagiert und die Markierung nicht so dunkel wird, wie sie ohne das Flammschutzmittel sein könnte. Bei normalen Zugabemengen gibt es nur eine geringe Reaktion mit dem Polymersystem, in das das Iriotec eingesetzt werden kann. Bei sehr hohen Zugabemengen, wie sie bei der Masterbatch-Produktion vorkommen können, kann es jedoch zu Wechselwirkungen zwischen einigen der Iriotec-Laserpigmente und dem Trägersystem kommen, so dass zusätzliche Stabilisatoren oder Einarbeitungsmethoden zur Herstellung des Masterbatch erforderlich sein können. Dies liegt in der Kompetenz des Masterbatch-Herstellers.

Wenn Sie eine "one size fits all"-Lösung aus dem Portfolio wählen müssten: Welches Pigment würden Sie wählen?

Stefan Gutberlet: Meiner Meinung nach gibt es so etwas wie eine "Einheitsgröße" nicht, da sie entweder nach Kosten, Leistung oder Farbeinfluss ausgewählt wird - oder vielleicht nach Vorschriften, die auf Anwendungen mit Lebensmittelkontakt in verschiedenen Regionen abzielen. Aber natürlich haben wir Pigmente, die für die meisten Anwendungen geeignet sind, da diese universeller sind. Mein aktueller Favorit ist das Iriotec® 8850, da es in allen Polymeren funktioniert und bis zu 600°C hitzestabil ist und daher auch in allen Polymeren eingesetzt werden kann. Es gibt immer eine dunkle Markierung und ist das schnellste Pigmentpulver, das wir derzeit haben. Wir haben gesehen, dass es auch sehr gut für Folienanwendungen funktioniert.

Verwendet die Offshore-Kabelindustrie Ihre Pigmente in ihren Kabeln?

Stefan Gutberlet: Die Frage ist: Kann ich über Kundenprojekte berichten? Nein. Aber ich kann Ihnen sagen, welche Vorteile die Lasermarkierung für eine solche Anwendung bringen könnte. Wir können aber für eine solche Aussage nicht haftbar gemacht werden, denn Sie als Hersteller des Endprodukts wissen mehr über die Nachfrage nach Ihrem Produkt, die Zusammensetzung der Rezeptur und die Einsatzmöglichkeiten. Mit dem Laser wird das Polymer zur Marke. Die Reaktion findet im Inneren des Polymers statt und ist so dauerhaft wie das Polymer selbst. Mechanische Beanspruchung kann ihm nichts anhaben. Dennoch empfehlen wir Ihnen immer, Ihre spezifischen Tests durchzuführen, um auf der sicheren Seite zu sein.