Lasermarkierung in der Kunststoff-Extrusion: Einsparpotenziale der kontinuierlichen Fertigung

Aktuellen Marktstudien zufolge macht die Fertigung von Rohren und Profilen fast 60 Prozent der weltweiten Produktion von PVC-basierten Produkten und Halbzeugen aus. Ergänzt man noch Folien und Plattenmaterial, summiert sich der Anteil gar auf knapp 75 Prozent. Allein für Abwasserrohre bedeutet das ein verarbeitetes Gewicht von mehr als sieben Millionen Tonnen PVC. Tendenz steigend. Dabei werden so gut wie alle Produkte im Prozess mit Markierungen versehen. In Zeiten der Digitalisierung und lauter werdender Forderung nach nachhaltigen Produktionsmethoden sind Heißprägeverfahren und Lösungsmittel basierte Tintendrucke ein Anachronismus.

Wir erklären, welche Einsparpotenziale die Lasertechnik für die Markierung von Kunststoffen im Allgemeinen und PVC im Besonderen eröffnet.

Welche Art Laser kommt zum Einsatz?
Bei der Lasermarkierung von Extrusionsprodukten wird vorrangig zwischen zwei Strahlquellenarten, respektive deren Grundwellenlängen, unterschieden: Als grobe Orientierung kann man CO₂-Laser für Gravuren in organischen Materialien verwenden und Faserlaser für Farbumschlagmarkierungen auf Kunststoffen und Metallen. Wobei die Grenze nicht scharf verläuft. Währen der CO2-Laser mit 10,6 µm im Infrarotbereich emittiert, Kunststoffe aufschmilzt und teilweise verdampft, erzeugt der Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1,06 µm im Bereich NahInfraRot (NIR) thermische Effekte wie Aufschäumen oder Karbonisierung mit Farbumschlag als Ergebnis.

Die Abbildung zeigt den REA JET FL Faserlaser. Aufgrund der besonders geringen Baugröße lässt sich die REA JET FL Produktfamilie auch bei sehr beengten Platzverhältnissen zum Einsatz bringen. Der Barcode ist auf einem PVC-Abwasserrohr aufgebracht.

Reagieren viele Kunststoffe aus den PP-, PA- und ABS-Familien schon von sich aus mit Farbumschlag, kann die Beimischung entsprechender Additive diese Effekte verstärken, farblich beeinflussen und absichern. PP-homo- und PETG-Kunststoffe sind in der Regel nur mit Additiven in ausreichender Qualität im NIR lasermarkierbar. Eine Sonderstellung nimmt hier jedoch das PVC: Es reagiert auch auf CO₂-Strahlung mit kontraststarken Farbumschlägen.

Unabhängig von der Materialfarbe erzielt die CO2-Laserstrahlung kontraststarke, gut lesbare Markierungen auf PVC. Markierzeit der gezeigten Muster ist 430 ms mit lediglich 10 W Laserleistung. Das reicht für Bandgeschwindigkeiten bis 14 m/min. Für höhere Bandgeschwindigkeiten sind entsprechende CO2-Laser bis 60 W verfügbar. (Anm.d.Red: Auch beim schwarzen Profil ist das Kontrastverhältnis sehr gut, lässt sich aber im Druck nicht entsprechend darstellen)

Der offensichtlichste Unterschied der Lasermarkierung zu herkömmlichen Markiermethoden ist das Einsparpotenzial durch den Entfall der Verbrauchsmaterialien sowie der damit verbundenen versteckten Kosten für Materialplanung, Beschaffung, Lagerung und Personal.

Besonders hohe Einsparpotenziale ergeben sich bei Doppelextrudern und dem Einsatz nur eines Lasermarkierers für die Beschriftung beider Profile direkt im Prozess. Die abgebildeten Fensterprofile aus PVC kennzeichnet ein REA JET CL230 mit 30 Watt Leistung.

Des Weiteren entfallen die Stillstandzeiten für Wartung und Reinigung mit den einhergehenden Servicekosten, wie diese bei mechanischen oder applizierenden Technologien üblich sind. Sowohl Ablenkeinheit als auch Laserquelle sind für mehrere 10.000 Betriebsstunden konzipiert. Entsprechend beschränkt sich bei den Lasermarkiergeräten der Wartungsaufwand auf das gelegentliche Reinigen der Fokussierlinse beziehungsweise des Schutzglases – bei guter Zugänglichkeit ein Eingriff von Sekunden.

Da meist eine Absaugung mit entsprechender Filtertechnik zum Einsatz kommt, müssen der Fairness halber Filterwechsel noch in die Kalkulation einbezogen werden. Aufgrund der geringen verdampften Materialvolumen pro Markierung sind hier die Wechselintervalle lang, üblicherweise im Wochen- oder Monatsbereich angesiedelt.

Neben der Senkung der Produktionskosten bringt die Lasermarkierung aufgrund ihrer Eigenschaften weitere Vorteile für die Kunden. Sie ist unverlierbar, abriebfest und beständig gegen Lösungsmittel im Rahmen der Beständigkeit des Kunststoffs selbst. Das ist die herausragendste Eigenschaft, mit der das Endprodukt aufgewertet wird und damit die Nachverfolgbarkeit vom Inverkehrbringen bis zum Recycling sowie den Plagiatsschutz zuverlässig gewährleistet. Zudem bietet sie bei Produkten für das verarbeitende Handwerk noch die Option, sehr genaue Längenmaße einzubringen. Die hohe grafische Auflösung der Lasersysteme ermöglicht zudem, komplexe Logos qualitativ hochwertig auf das Produkt zu übertragen.

Die Lasermarkierung – unabhängig ob per Farbumschlag oder Gravur – wird nicht auf sondern in das Extrusionsprofil eingebracht. Eine Vor- und Nachbehandlung der Markierfläche ist nicht erforderlich. Damit stellt die Lasermarkierung einen einstufigen Prozess dar, der rein statistisch gesehen weniger fehleranfällig ist als mehrstufige Prozesse mit Vor- und Nachbereitung. Die Lasernutzung bietet zudem den Vorteil, dass keine Zusatzstoffe erforderlich sind und diese damit auch nicht bewegt werden müssen. Lasermarkierer sind darüber hinaus unempfindlich gegenüber elektrostatischer Aufladung der Extrusionsprofile. Verzerrte Beschriftungen wegen elektrischer Felder sind damit ausgeschlossen.

Stellt sich die Frage, warum Lasermarker nicht deutlich häufiger in den Produktionsbetrieben dieser Welt anzutreffen sind. Neben den höheren Einstandskosten verglichen mit Ink-Jets dürfte dies vor allem am mangelnden Informationsstand zum Thema Lasersicherheit liegen.

Lasersicherheit: kein Hexenwerk
Die industrielle Lasertechnik ist seit nunmehr knapp 60 Jahren etabliert. In dieser Zeit wurden umfangreiche Kompetenzen sowohl bei den Anlagenbauern als auch den zuständigen Prüfstellen erarbeitet und klare Richtlinien und Normen festgelegt, nach denen Installationen abgenommen werden. Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um die DIN EN ISO 13849-1 zur allgemeinen Funktionssicherheit von Anlagen, die schon bei der Produktentwicklung greift, und die DIN EN 60825-1 und -4, die sich auf die Sicherheit in Zusammenhang mit Lasertechnik bezieht.

Dem folgend, sollte der Bereich rund um den Laserprozess eingehaust und damit mögliche Streustrahlung außerhalb der Prozesskammer unterbunden werden. Es ist nicht erforderlich, das ganze Gerät einzuhausen, sondern lediglich den Arbeitsbereich, mit entsprechender Auslegung der Material Zu- und Abführung, um den Anforderungen der Laserklasse 1 zu entsprechen.

Etablierte Hersteller bieten hierzu neben der Gehäuselösung auch die passende Absaugung mit Filtertechnik aus einer Hand.

Angepasst an die Abmessungen des Extrusionsprofils, kann die Bearbeitungskabine ohne Kompromisse auch für beengte Platzverhältnisse gemäß Laserschutzklasse 1 konzipiert werden. Bei diesem REA JET FL230 Faserlaser ist der Drehimpulsgeber zur Erfassung der Materialgeschwindigkeit dem Prozess vorgelagert, während Laser, Absaugung und Qualitätsprüfung in der kompakten Prozesskammer untergebracht sind.

Ist die Lasertechnik für meinen Prozess geeignet?
Grundsätzlich erfolgt vor der Anschaffung einer Markierlösung eine entsprechende Bemusterung. Erfüllen die Muster die Kundenanforderungen hinsichtlich Oberflächengüte, Kontrast, Lesbarkeit und Markiergeschwindigkeit, wird die Einbausituation geprüft. Dabei sind sowohl Lösungen für die permanente Installation in einer Produktionslinie möglich als auch mobile Konzepte für unterschiedliche Anwendungen eines Kodierers.

Bei Änderungen der Anwendung, sei es ein Produktwechsel oder eine geänderte Grafik, ist der Anwender nicht an eine bestimmte Zeilenzahl gebunden, kann die optimale Parametrierung schnell und meist rein über Eingaben in der Bediensoftware ermitteln und erhöht somit Flexibilität an der Linie.

Fazit: Ein flexibles, zuverlässiges und nahezu wartungsfreies Produktionswerkzeug
Obwohl die industrielle Lasertechnik mittlerweile fast 60 Jahre existiert, gibt es noch immer Berührungsängste in der Branche. Wer sich der Technologie öffnet, erhält ein flexibles, zuverlässiges und nahezu wartungsfreies Produktionswerkzeug. Wesentliche Vorteile der Laserkennzeichnung sind die unverlierbare Produktkennzeichnungen mit maximaler Flexibilität bezüglich des Designs, der hohe Grad an Fälschungssicherheit und all das bei gleichzeitiger Reduktion der Materiallogistik und -kosten. Damit lässt sich Nachhaltigkeit nicht nur im Prozess der Produktentstehung leben, sondern auch bei der Verwertung umsetzen und die eigene Wettbewerbsfähigkeit steigern.