Laserablation von Farbe: Hochkontrastiges und kontaktloses Markieren auf beschichteten Oberflächen

Was ist Laserablation von Farbe?

Die Laserablation von Farbe (paint laser ablation) ist das selektive Abtragen der Farb-/Beschichtungsschicht mittels Laserenergie von einer Metall- oder Kunststoffoberfläche. Ziel ist es, mithilfe der Farbe und Reflexion des darunterliegenden Substrats hochkontrastige Schrift, Logos, Barcodes, DataMatrix-Codes oder Grafiken zu erzeugen. Der Prozess ist kontaktlos und reproduzierbar und kommt ohne chemische oder mechanische Abtragung aus.

Welche Laser werden verwendet?

• Faserlaser (1064 nm/MOPA): Schnell bei feiner Farbablation; liefert scharfen Kontrast auf Metallsubstrat. Über die MOPA-Pulsbreiteneinstellung wird die Wärmeeinflusszone (WEZ, HAZ) gesteuert.
• CO₂-Laser (10,6 μm): Wirksam bei organischen Farben und Kunststoffbeschichtungen; ideal für großflächige Oberflächeneffekte und dekorative Anwendungen.
• UV-Laser (355 nm): Mikrodetails bei geringer thermischer Belastung; minimiert Randnachdunkelung und Gratbildung bei wärmeempfindlichen Beschichtungen.

Vorteile der Laserablation von Farbe

• Ohne Chemikalien: Keine Lösungsmittel, Säuren, Maskierung oder Schleifen erforderlich; überlegen in Umwelt- und Arbeitssicherheit.
• Hoher Kontrast: Nach Entfernen der Deckschicht wird das Grundmaterial sichtbar; erzeugt einen klaren Schwarz-Weiß-ähnlichen Kontrast.
• Geschwindigkeit und Automatisierung: Galvo-Scanning mit Geschwindigkeiten von mehreren tausend mm/s; einfache Inline-Integration (Laser-Markiersysteme).
• Flexibilität: Logos, Seriennummern und QR/DM-Codes werden direkt aus CAD-Daten erzeugt; variable Datenmarkierung wird unterstützt.
• Niedrige Gesamtkosten: Keine Verbrauchsmaterialien; Werkzeug-/Tinten­kosten und Rüstzeiten entfallen.

Anwendungsbereiche

• Automotive: Dauerhafte Markierung auf lackierten Metall-Konsolenteilen, Tasten­symbolen, Fahrgestell­etiketten und Türinnenverkleidungen.
• Elektronik: Logos/Seriennummern auf lackierten Aluminiumgehäusen, Notebook- und Smartphone-Cases.
• Maschinenbau: Beschriftungen von Paneelen, Warnhinweise und CE/UID-Codes auf pulverbeschichteten Blechtafeln.
• Werbung – Dekoration: Innen-/Außenschilder, Wappen und dekorative Muster.
• Medizintechnik: Kennzeichnung lackierter chirurgischer Instrumente und Geräte (Kontrast auf biokompatiblem Substrat).

Vorgehen je nach Beschichtungstyp

• Pulverbeschichtung (Polyester/Epoxid-Hybrid): Dickschicht; statt einer Einzelpassage mehrere flache Durchgänge (Multi-Pass), um Kanten­karbonisierung zu reduzieren.
• Einbrennlack/Acryl: Dünnschicht; mit Faser- oder UV-Laser klare Konturen; hohe Geschwindigkeiten möglich.
• Epoxidbeschichtung: Hart und widerstandsfähig; mit UV oder MOPA niedrige Pulsenergie und hohe Frequenz bevorzugt (siehe „Epoxid-Laserablation“).
• Farbe auf anodisierter Oberfläche: Zuerst Farbe entfernen, anschließend bei Bedarf leichte Ablation der eloxierten Oberfläche; glänzendes Substrat verstärkt den Kontrast.

Prozessschritte (Step-by-Step)

1. Muster- und Oberflächenanalyse: Bestimmung der Lackdicke (μm), des Pigmenttyps und der Wärmeleitfähigkeit des Substrats.
2. Laserwahl: CO₂/UV für dünne organische Filme; Faser/UV für Kontrast auf Metallsubstrat.
3. Parameterfenster: Optimierung von Leistung, Geschwindigkeit, Frequenz, Pulsbreite (MOPA), Scanabstand und Anzahl der Durchgänge.
4. Fokus und Optik: Passendes F-Theta-Objektiv (110×110/200×200/300×300 mm) und Spotgröße; entscheidend für die Kantenschärfe.
5. Scan-Strategie: Schraffuren (hatching), mehrdirektionales Kreuzscannen sowie Ramp-up/-down an Ein- und Austritt.
6. Absaugung und Filtration: HEPA + Aktivkohle gegen Rauch/Partikel; unerlässlich für Arbeitsschutz und Optiklebensdauer.
7. Verifikation: Vision-Prüfung von Kontur, Flächendeckung und Lesbarkeit der Codes (ISO/ANSI-Klasse).
8. Standardisierung: Erstellung einer SOP; Verknüpfung von Rezepten und Los–Serien über ERP/MES.

Leitfaden für technische Parameter (Beispielbereiche)

• Faser (20–50 W): 200–1200 mm/s; 20–200 kHz; MOPA-Puls 4–200 ns. Multi-Pass bei Mehrschichtlack.
• CO₂ (30–60 W): 400–2000 mm/s; Dauerstrich oder Hochfrequenz­modulation; effizient auf großen Flächen.
• UV (3–10 W): 50–400 mm/s; 20–100 kHz; bevorzugt bei Mikrodetail und geringer WEZ.

Hinweis: Werte variieren je nach Schichtdicke, Pigment, Substrat und optischer Konfiguration; unbedingt DoE an Mustern durchführen.

Qualitätskriterien und Metrologie

• Kantenschärfe (edge acuity): Kontrolle von Halo und Graten unter dem Mikroskop.
• Kontrast (L*/a*/b*):
• WEZ-Breite (HAZ): Minimal mit UV/MOPA; bei CO₂ durch Luft/Kühlung reduzierbar.
• Codequalität: Bewertung nach ISO/IEC 15415 (2D), 15416 (1D); Ziel Klasse A/B.

Konstruktions- und Fertigungstipps (DFM)

• Schriftvorlagen: Bei feinen Texten minimale Strichstärke 0,15–0,2 mm; Modulgröße kleiner QR/DM ≥ 0,25 mm empfohlen.
• Negativ/Positiv-Design: Dunkle Farbe–helles Substrat: negativ (Farbe abtragen); helle Farbe–dunkles Substrat: positiv (periphere Ablation) für bessere Lesbarkeit.
• Abgerundete Ecken: Reduzieren thermische Spannungsspitzen und Randnachdunkelung.
• Mehrlagiges Muster: Halbton (halftone) für Gradienteffekte und Premium-Optik.

Inline-Integration

Mit Inline-Laser-Markiersystemen lassen sich Encoder-Synchronisation, Kamera­verifikation und eine Ausschleusungs-Station hinzufügen, um 100 % Qualitätskontrolle im Prozess zu gewährleisten. Über die ERP/MES-Anbindung werden Auftrags-/Losdaten automatisch übernommen; Kombi-Stationen Schneiden + Markieren verkürzen den Zyklus im Einzelspann.

Wartung und Arbeitssicherheit

• Optikreinigung: Regelmäßige Reinigung von Schutzglas/Linse; verschmutzte Optiken verringern den Kontrast.
• Absaugwartung: Filtersättigung überwachen; Rauch­rezirkulation schädigt die Optik.
• Augenschutz und Einhausung: Schutzbrillen passend zur Wellenlänge; Strahlweg-Einhausung und Interlocks aktiv.

Häufig gestellte Fragen

Wird das Substrat unter der Farbe beschädigt?

Bei korrekten Parametern wird nur die Farbschicht entfernt. Mit UV/MOPA kann durch geringere Energie pro Puls eine nahezu thermisch freie Bearbeitung des Substrats erreicht werden.

Kann ohne Kenntnis des Farbtyps gearbeitet werden?

Nicht empfohlen. Führen Sie ein kleines DoE am Muster durch, um Energieschwelle, Anzahl der Durchgänge sowie das Verhältnis von Geschwindigkeit/Leistung zu bestimmen.

Ist die Laserablation auf sehr großen Flächen schnell?

Galvo + großes F-Theta erhöht die Geschwindigkeit, senkt jedoch die Energiedichte. Für große Bereiche sind schichtweises Scannen und Segmentierung zu empfehlen.

Sind mehrfarbige Effekte bei Farbschichten möglich?

Ja. Durch selektive Ablation in unterschiedlichen Tiefen werden die unteren Farbschichten freigelegt und mehrtonige Grafiken erzeugt.

Auswahlkriterien für die Maschine (Checkliste)

• Beschichtungsdicke und Pigment: Dünnschicht → UV/CO₂; Dickschicht → Faser/CO₂ + Multi-Pass.
• Substratmaterial: Auf Metallsubstrat sind Faser/UV besser kontrollierbar, auf Kunststoffsubstrat CO₂/UV.
• Feld und Auflösung: 110×110 mm für maximale Details; 200/300 mm für Geschwindigkeit/Flächenabdeckung.
• Automatisierung: PLC-/Robotik-Integration, Vision, Encoder; Kompatibilität von Maschine und System.
• Filtration und Arbeitsschutz: HEPA + Aktivkohle; Unterdruck in der Kabine.