Geräte und Produkte aus Edelstahl müssen immer öfter mit Kennzeichen oder Logos versehen werden. Ein großer Nachteil beim Druck ist, dass die Kennzeichnung nicht dauerhaft ist und bei wiederholter Sterilisation – wie es etwa bei Medizinprodukten üblich ist – verblasst.

Eine Gravur hingegen beeinträchtigt die Oberflächenpassivierung und erfordert eine chemische Wiederaufbereitung. Zudem hinterlässt das Gravieren eine Oberflächenstruktur, die Verunreinigungen leichter aufnimmt oder im Falle von Implantaten Irritationen hervorrufen kann. In anderen Einsatzbereichen können aufgedruckte Kennzeichnungen durch Versand, Handhabung oder Lagerung schwer lesbar werden.

Eine weitere Möglichkeit ist die Laserbeschriftung – hier gibt es mehrere etablierte Verfahren. Je nach Material werden CO2-Laser, diodengepumpte Festkörperlaser oder Faserlaser eingesetzt. Die verschiedenen Laserbeschriftungstechniken bringen eine Veränderung innerhalb des Volumen des Materials, eine Oberflächenfarbänderung oder eine makroskopische Veränderung des Oberflächenreliefs mit sich, die leicht erkennbar ist.

Markieren mit Nanosekundenlasern

Laser mit Pulsbreiten im Nanosekundenbereich können verwendet werden, um permanente Markierungen auf Edelstahl zu erzeugen. Diese kontrastreichen Markierungen bieten eine kostengünstige Lösung für medizinische Einmalprodukte und Konsumgüter, die keiner wiederholten Reinigung ausgesetzt sind.

Es gibt jedoch bestimmte Einschränkungen, die den Einsatz von Nanosekunden-Lasermarkierungen ausschließen, insbesondere bei wiederverwendbaren Medizinprodukten. Diese Einschränkungen ergeben sich aus inhärenten Faktoren des Markierprozesses und der Passivierung, die korrosionsbeständige Oberflächen auf Edelstahlprodukten erzeugt.

Die Passivierung wird eingesetzt, da Stahl durch Oxidation leicht korrodiert. Die Verwendung von Edelstählen beseitigt dieses Problem, da die Oxidation der Oberflächenchromatome eine dünne, schützende Außenschicht aus Chromoxid hinterlässt. Diese Passivierung kann auf natürliche Weise erfolgen, aber die Dicke und Unversehrtheit der passivierten Schicht wird in der Regel durch eine chemische Behandlung mit einer Säuremischung verbessert. Wichtig ist, dass die Oberfläche keine freiliegenden Eisenatome aufweist.

In der Lasertechnik ist eine Pulsbreite von zehn oder 100 Nanosekunden relativ lang. Darüber hinaus sind diese Laser auf eine Pulswiederholrate von 100 Kilohertz beschränkt, sodass die für einen schnellen Durchsatz erforderliche hohe Durchschnittsleistung in eine hohe Pulsenergie übergeht. Die Wechselwirkung von Laser und Material ist in erster Linie fotothermisch, wobei eine intensive Erwärmung zu einer lokalen Schmelzung führt und die Markierung durch eine chemische Umwandlung des Edelstahls entsteht. Diese Transformation enthält die Diffusion des Chroms von der Oberflächenschicht weg, die Oxidation von Chrom- und Eisenatomen, die unterschiedliche Oxide beider Metalle erzeugen, die Entmischung der Legierungskomponenten und Veränderungen in der Phasen-/Kornstruktur des rückverfestigten Metalls.

Während diese Art von chemischer/kompositorischer Kennzeichnung für einige rostfreie Anwendungen geeignet ist, kann sie nicht auf wiederverwendbaren Medizinprodukten eingesetzt werden. Die Einsatzmöglichkeiten von Nanosekunden-Faserlasern werden durch weitere Faktoren reduziert: Je nach Blickwinkel ändern sich zum einen Farbe und Kontrast der Markierung. Zum anderen ist das Erscheinungsbild empfindlich gegenüber Schwankungen in der Dicke und der Korngröße. Darüber hinaus kann die thermische Belastung durch die lokale Erwärmung dünne Teile verformen.

Black Marking mit Pikosekundenlasern

Dank eines neuen Laserverfahrens, dem ›Black Marking‹, gehören diese Einschränkungen der Vergangenheit an. Die Technik basiert auf dem Einsatz von Lasern, die Pulsbreiten von zehn bis 20 Pikosekunden liefern, das heißt 10.000-mal kürzere als die für Nanosekunden-Faserlaser typischen Pulsbreiten. Obwohl die Pulsenergie 100-mal geringer sein kann als bei Nanosekundenlasern, kann die Pulsspitzenleistung 100-mal höher sein. Die Kombination von hoher Spitzenleistung mit kurzer Pulsdauer führt zu einer sehr unterschiedlichen Transformation der Metalloberfläche.

Ebenso wichtig ist, dass der in diesen Pikosekundenlasern verwendete Pulsmechanismus − das sogenannte ›Modelocking‹ − Pulswiederholraten bis zu einem Megahertz unterstützt. So kann der Laser die hohen Durchschnittsleistungen liefern, die für einen kostengünstigen hohen Produktionsdurchsatz erforderlich sind, ohne die unerwünschten thermischen Effekte.

Wenn der Laserstrahl eines Pikosekundenlasers auf die Stahloberfläche trifft, erzeugt er eine kontrastreiche, schwarze Markierung. Diese ähnelt zwar der Markierung eines Nanosekundenlasers, 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 Nanosekundenlaser eine Markierung aus chemisch transformiertem schwarzem Material erzeugen, erzeugt der Pikosekundenlaser eine Oberfläche, die schwarz erscheint, deren chemische Zusammensetzung und Legierungsverteilung jedoch kaum beeinflusst werden.

Vorteile des Black Marking

Das Black Marking von Edelstählen bietet eine einzigartige Kombination von Vorteilen: Zum einen sind die Beschriftungen extrem dunkel und bieten einen hohen Kontrast für eine gute Lesbarkeit. Zum anderen werden weder Farbe noch Kontrast durch Veränderungen der Betrachtungs- oder Beleuchtungswinkel beeinflusst, 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 verblasst. Dadurch ergibt sich eine hohe Flexibilität, die Markierung in verschiedenen Prozessschritten durchführen zu können.

Ein weiterer Vorteil des Pikosekundenlaserbeschriftens ergibt sich aus den geringen thermischen Einflüssen. Das Verfahren ist damit besonders gut für den Einsatz bei thermisch empfindlichen und zerbrechlichen Teilen wie Drähten, Rohren und dünnen Blechen geeignet, da keine Gefahr einer Formänderung besteht.

Aus reinen Praktikabilitätsgesichtspunkten ist es wichtig zu wissen, dass die Prozessergebnisse im Gegensatz zu Verfahren mit Nanosekundenlasern unempfindlich gegenüber Veränderungen der Laserleistung und des Laserfokus sind. Das führt zu einem großen Prozessfenster, was sowohl den Durchsatz als auch den Ertrag steigert.

Lasersysteme und Produktionsintegration

Pikosekundenlaser haben sich in den vergangenen 15 Jahren bewährt − allein vom ›Powerline Rapid NX‹ von Coherent befinden sich hunderte Laser im Feld. Mit Ausnahme von Laser-Auftragsfertigern und Spezialmaschinenbauern benötigen die meisten Anwendungen heute aber viel mehr als den reinen Laser. Coherent wird diesem Bedarf durch unterschiedliche Integrationsebenen gerecht. Die beiden beliebtesten Lösungen sind Laser-Sub-Systeme – bestehend aus Strahlquelle, Strahlführungsoptik und Scankopf sowie komplette Stand-Alone-Systeme inklusive Roboterautomatisierung.

Sowohl Sub-Systeme als auch schlüsselfertige Systeme werden mit einem Pikosekundenlaser mit einer Pulsfolgefrequenz bis zu einem Megahertz geliefert, um eine schnelle Markierung zu ermöglichen. Sie alle besitzen ein Softwarepaket, das aus einem grafischen Editor zur Generierung des Layouts und einer CAD-Erweiterung zum Import aller gängigen Dateitypen besteht. Spezielle Markierinhalte und umfangreiche Beschriftungsparameter für die Markierung sind leicht konfigurierbar.

Die schlüsselfertigen Systeme haben optional eine Granit-Montageplattform für eine hohe Stabilität und Markierungsauflösung. Der Arbeitsbereich ist flexibel ausgelegt, um unterschiedliche Bauteilgrößen und -geometrien aufnehmen zu können. Bis zu drei lineare Bewegungsachsen arbeiten servo-gesteuert und können mit einer optionalen Drehachse für Rohre und andere rotationssymmetrische Teile kombiniert werden. Darüber hinaus enthalten die Systeme ein optionales Bildverarbeitungssystem.