Coherent Black Marking − einzigartige Laserbeschriftungsmethode für Edelstahl

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Rofin-Sinar Laser GmbH

Die direkte Kennzeichnung auf Edelstahluntergründen ist zunehmend gefragt, um beispielsweise den Vorschriften für Medizinprodukte gerecht zu werden. Das Black Marking erfüllt genau diese Marktanforderung und bietet eine dauerhafte Kennzeichnung, die ohne erneute Passivierung auskommt.

• Black Marking: Kombination von hoher Spitzenleistung mit kurzer Pulsdauer

• Vorteile durch optimierte Lesbarkeit sowie Widerstandsfähigkeit der Markierung

• Flexibilität: Anbringen der Markierung auf unterschiedlichen Bauteilgrößen und -geometrien

Es besteht zunehmend die Notwendigkeit, Geräte und Produkte aus Edelstahl mit Kennzeichen, Hinweismarken oder Logos zu versehen, die mehrere strenge Kriterien erfüllen müssen, die den Einsatz alternativer, konventioneller Techniken wie Druck oder Gravur weitgehend ausschließen. Bei Medizinprodukten sind für den Mehrfachgebrauch bestimmte Geräte von Rechts wegen mit einer eindeutigen Produktkennzeichnung (UDI) auszustatten. Ein großer Nachteil einiger Markierverfahren aber ist, dass die Kennzeichnung nicht dauerhaft ist und bei wiederholter Sterilisation (Autoklavieren) verblasst. Eine Gravur hingegen beeinträchtigt die Oberflächenpassivierung und erfordert eine chemische Wiederaufbereitung.

Es gibt mehrere etablierte Verfahren für die Laserbeschriftung, und zahlreiche Industrien nutzen diese Techniken seit Jahrzehnten. Je nach Material werden Kohlendioxid- bzw. CO₂-Laser, diodengepumpte Festkörperlaser oder Faserlaser auf breiter Basis eingesetzt. Die verschiedenen Laserbeschriftungstechniken bringen eine Veränderung innerhalb des Volumens des Materials, eine Oberflächenfarbänderung oder eine makroskopische Veränderung des Oberflächenreliefs bzw. der Struktur mit sich, die leicht erkennbar ist.

Laser mit Pulsbreiten im Nanosekundenbereich (ns) können verwendet werden, um permanente Markierungen auf Edelstahl zu erzeugen. Diese kontrastreichen Markierungen bieten eine kostengünstige Lösung für medizinische Einmalprodukte, die keiner wiederholten Reinigung ausgesetzt sind. Es gibt jedoch bestimmte Einschränkungen, die den Einsatz von ns-Lasermarkierungen ausschließen. Dies gilt insbesondere für wiederverwendbare Medizinprodukte. Diese Einschränkungen ergeben sich aus inhärenten Faktoren des Markierprozesses und der Passivierung, die korrosionsbeständige Oberflächen auf Edelstahlprodukten erzeugt.

Black Marking optimiert Lesbarkeit für Mensch und Maschine

Dank eines relativ neuen Laserverfahrens, dem so genannten Black Marking, gehören diese Einschränkungen der Vergangenheit an. Diese Technik basiert auf dem Einsatz von Lasern, die Pulsbreiten im Bereich von 10 bis 20 Pikosekunden (ps) liefern, d.h. 10.000-mal kürzere als die für ns-Faserlaser typischen Pulsbreiten. Obwohl die Pulsenergie 100-mal geringer sein kann als bei ns-Lasern, kann die Pulsspitzenleistung 100-mal höher sein. Die Kombination von hoher Spitzenleistung mit kurzer Pulsdauer führt zu einer sehr unterschiedlichen und subtileren Transformation der Metalloberfläche. Ebenso wichtig ist, dass der in diesen Pikosekundenlasern verwendete Pulsmechanismus − das so genannte Modelocking − Pulswiederholraten bis zu 1 MHz unterstützt. So kann der Laser die hohen Durchschnittsleistungen (10 Watt und mehr) liefern, die für einen kostengünstigen hohen Produktionsdurchsatz erforderlich sind, ohne jedoch die hohen Pulsenergien zu erzeugen, die für Nanosekundenlaser charakteristisch sind, und ohne die unerwünschten thermischen Effekte.

Wenn der Laserstrahl eines Pikosekundenlasers auf die Stahloberfläche trifft, erzeugt er eine kontrastreiche schwarze Markierung. Diese ähnelt zwar oberflächlich der Markierung eines ns-Lasers, ist aber ganz anderer Art. Die kurze Pulsdauer minimiert den thermischen Eintrag und begrenzt die Flüssigphase auf die äußeren Atomschichten. Das Ergebnis ist die Bildung einer nanoskaligen Oberflächenstruktur namens Laser Induced Periodic Surface Structure (LIPSS), die als lichteinfangende Oberfläche dient. Damit einher geht eine minimierte Diffusion der Metallatome und eine begrenzte Entmischung sowie eine nur teilweise Oxidation der Oberflächenchrom- und Eisenatome. Während also ns-Laser eine Markierung aus chemisch transformiertem schwarzem Material erzeugen, erzeugt der ps-Laser eine Oberfläche, die schwarz erscheint, deren chemische Zusammensetzung und Legierungsverteilung jedoch kaum beeinflusst werden.

Laser-Sub-Systeme: Viel mehr als ein reiner Laser

Das Black Marking von Edelstählen bietet eine einzigartige Kombination von Vorteilen, die die schnell wachsende Nachfrage nach diesem Verfahren bei wiederverwendbaren Medizinprodukten erklärt. Zum einen sind die Beschriftungen extrem dunkel und bieten einen sehr hohen Kontrast, der die Lesbarkeit für Mensch und Maschine optimiert. Ebenso wichtig ist, dass weder Farbe noch Kontrast durch Veränderungen der Betrachtungs- oder Beleuchtungswinkel beeinflusst werden, was die Lesbarkeit zusätzlich erhöht.

Für den Markt der wiederverwendbaren Medizinprodukte bietet das Black Marking zwei wichtige Vorteile: Erstens beeinträchtigt der Beschriftungsprozess eine zuvor passivierte Oberfläche nicht und zweitens führt eine vor der Passivierung durchgeführte Markierung nicht dazu, dass durch die nachfolgende Passivierung die Markierung in irgendeiner Weise verblasst. Diese Widerstandsfähigkeit und Flexibilität, die Markierung in verschiedenen Prozessschritten durchführen zu können, maximiert den Wert des Verfahrens und senkt die Kosten. Ebenso gute Resultate erzielt das Black Marking auch bei wiederverwendbaren Medizinprodukten, die einer wiederholten Wiederaufbereitung standhalten müssen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des ps-Laserbeschriftens ergibt sich aus den damit verbundenen minimalen thermischen Einflüssen. Das Verfahren ist damit besonders gut für den Einsatz bei thermisch empfindlichen und zerbrechlichen Teilen wie Drähten, Rohren, dünnen Blechen und kleinen Implantaten geeignet, da keine Gefahr einer Formänderung besteht.

Pikosekundenlaser haben sich in den letzten 15 Jahren bewährt − so befinden sich allein von dem Coherent Power Line Rapid NX hunderte Laser im Feld. Mit Ausnahme von Laser-Auftragsfertigern und Spezialmaschinenbauern benötigen die meisten Anwendungen viel mehr als den reinen Laser. Coherent wird diesem Bedarf durch unterschiedliche Integrationsebenen gerecht. Die beiden beliebtesten Lösungen sind Laser-Sub-Systeme wie der Power Line Rapid NX, bestehend aus Strahlquelle, Strahlführungsoptik und Scankopf, sowie komplette Stand-Alone-Systeme.

Sowohl Sub-Systeme als auch schlüsselfertige Systeme werden mit einem Pikosekundenlaser mit einer Pulsfolgefrequenz von bis zu 1 MHz geliefert, um eine schnelle Markierung zu ermöglichen. Sie verfügen über das Visual-Laser-Marker-(VLM-)Softwarepaket. Die VLM-Software besteht aus einem grafischen Editor zur Generierung des Layouts und einer CAD-Erweiterung zum Import aller gängigen Dateitypen. Spezielle Markierinhalte und umfangreiche Beschriftungsparameter für die Markierung sind leicht konfigurierbar. Der Arbeitsbereich ist auf maximale Flexibilität ausgelegt, um unterschiedliche Bauteilgrößen und -geometrien aufnehmen zu können. Bis zu drei lineare Bewegungsachsen arbeiten servogesteuert und können mit einer optionalen Drehachse für Rohre kombiniert werden. Darüber hinaus beinhalten die schlüsselfertigen Systeme ein optionales Bildverarbeitungssystem, das eine automatisierte Vor- und/oder Nachkontrolle ermöglicht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die direkte Kennzeichnung auf Edelstahluntergründen zunehmend gefragt ist, um den Vorschriften für Medizinprodukte gerecht zu werden. Das Black Marking erfüllt genau diese Marktanforderung und bietet eine dauerhafte Kennzeichnung, die ohne erneute Passivierung auskommt und auch nach vielen Autoklavenzyklen gut lesbar bleibt.

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* Thorsten Ferbach ist Business Development Manager bei Coherent.

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