UV-Laser verstehen: Wellenlänge, Pulsenergie und Markierqualität

Ein kleiner Code auf einem Kunststoffgehäuse stellt andere Anforderungen als eine tiefe Gravur in Metall. Beide Aufgaben können unter dem Oberbegriff Laserbearbeitung angeboten werden, benötigen aber unterschiedliche Prozesse. Dieser Artikel erklärt die wichtigsten Größen für UV-Markierungen und zeigt eine eigene Energie- und Abstandrechnung. Er beschreibt keinen eigenen Laseraufbau und enthält keine freigegebenen Bearbeitungsparameter.

UV beschreibt die Wellenlänge, nicht den gesamten Prozess

Eine Wellenlänge von 355 nm liegt im ultravioletten Bereich. Sie sagt zunächst etwas über die Strahlung aus. Daraus folgt noch nicht, wie lang die Pulse sind, wie viel Energie ein Puls trägt oder wie groß die bestrahlte Fläche ist. Ein UV-Laser ist deshalb nicht automatisch ein Ultrakurzpulslaser. Ebenso sind Markieren, Gravieren und Schneiden unterschiedliche Bearbeitungsziele, auch wenn dieselbe Strahlquelle mehrere Aufgaben unterstützen kann.

Als konkretes Herstellerbeispiel führt Coherent die MATRIX-355-Baureihe als gütegeschaltete Nanosekundenlaser. Die aktuelle Produkttabelle nennt beim Modell 355-5 eine Wellenlänge von 355 nm und 5 W Ausgangsleistung bei 50 kHz. Solche Angaben zeigen, warum ein Datenblatt zusammen gelesen werden muss: Die Leistung gehört zu einer angegebenen Wiederholrate. Eine separat genannte maximale Frequenz ist keine Zusage gleicher Leistung bei jeder Einstellung.

Materialschonend bedeutet nicht voraussetzungslos

TRUMPF nennt für den UV-Markierlaser TruMark 3330 eine Wellenlänge von 355 nm und beschreibt Anwendungen an Kunststoffen sowie Nichteisenmetallen. Coherent beschreibt beim MATRIX 355 kontrastreiche Kunststoffmarkierungen mit geringer unerwünschter thermischer Beeinträchtigung. Diese Aussagen beziehen sich auf geeignete Anwendungen und Prozesse. Sie sind keine Freigabe dafür, jeden unbekannten Kunststoff mit beliebigen Parametern zu bearbeiten.

Begriffe wie Kaltmarkierung sollten als Beschreibung einer angestrebten geringen thermischen Beeinflussung verstanden werden, nicht als allgemeine Zusicherung, dass keine Energie im Werkstück verbleibt. Für das fertige Teil zählt das nachgewiesene Ergebnis: Kontrast, Lesbarkeit, Oberflächenzustand und erhaltene Funktion. Eine schöne dunkle Markierung kann beispielsweise trotzdem ungeeignet sein, wenn eine dünne Wand geschädigt oder eine notwendige Isolationsfunktion beeinträchtigt wird.

Auch die Materialbezeichnung allein ist zu grob. Ein eingefärbter, gefüllter oder beschichteter Werkstoff kann sich anders verhalten als eine ungefärbte Probe mit ähnlichem Namen. Bei einer Anfrage gehören deshalb die genaue Sorte, die Farbe, eventuelle Beschichtungen und der geforderte Lieferzustand dazu. Die Übersicht zur Laserbearbeitung hilft, das gewünschte Verfahren zunächst vom bloßen Gerätenamen zu trennen.

Mittlere Leistung, Pulsenergie und Spitzenleistung auseinanderhalten

Für die Wirkung auf eine Oberfläche kommt die örtliche Verteilung hinzu. Derselbe Puls kann auf unterschiedliche Flächen verteilt sein. Außerdem können mehrere Pulse dieselbe Stelle oder benachbarte Bereiche treffen. Eine Wattzahl allein reicht deshalb weder für den Vergleich zweier Bearbeitungsprozesse noch für eine Aussage über die erreichbare Strichbreite.

Eigene Rechnung: 4 W auf 40.000 Pulse verteilen

Für ein bewusst vereinfachtes Modell nehmen wir 4 W mittlere Leistung und eine Wiederholrate von 40 kHz an. Es werden gleichartige Pulse betrachtet; Verluste zwischen dem gewählten Messort und dem Werkstück sind nicht enthalten. Die Werte dienen ausschließlich dem Rechnen und sind keine Einstellungsempfehlung für ein Gerät oder einen Werkstoff.

4 W entsprechen 4 Joule pro Sekunde. Verteilt auf 40.000 Pulse pro Sekunde ergibt das E = 4 / 40.000 = 0,0001 J, also 100 µJ je Puls. Bei ebenfalls 4 W, aber 80 kHz wären es rechnerisch nur 50 µJ. Das gilt unter der ausdrücklich gesetzten Annahme gleicher mittlerer Leistung. Wie sich eine reale Strahlquelle bei geänderter Frequenz verhält, muss ihr Datenblatt beziehungsweise ihre Kennlinie zeigen.

Nehmen wir zusätzlich einen ideal rechteckigen Puls von 20 ns Dauer an, folgt während dieses Modellpulses P = E / τ = 0,0001 J / 0,00000002 s = 5.000 W. Das ist keine zweite durchschnittliche Ausgangsleistung, sondern die Leistung während der sehr kurzen angenommenen Pulsdauer. Für eine reale Pulsform ist dieser Quotient nicht automatisch der genaue Spitzenwert. Die Rechnung zeigt vor allem, warum 4 W mittlere Leistung und Kilowatt innerhalb kurzer Pulse kein Widerspruch sind.

Pulsabstand ist nicht automatisch die Auflösung

Im selben Lehrmodell bewegt sich der Fokus gleichförmig mit 400 mm/s. Der Abstand aufeinanderfolgender Pulsmittelpunkte beträgt s = v / f = 400 / 40.000 = 0,010 mm, also 10 µm. Wie stark die bestrahlten Bereiche überlappen, ist damit noch nicht bekannt. Dafür fehlen unter anderem die wirksame Spotgröße und eine klare Definition dieses Durchmessers.

Bei Beschleunigungen, Richtungswechseln oder einer anderen Pulssteuerung kann der Abstand anders ausfallen. Die rechnerischen 10 µm dürfen deshalb nicht als garantierte Auflösung eines Codes ausgegeben werden. Bei einer Vektorgravur gehören die Bahnführung und die Energieverteilung zusammen. Eine Flächenfüllung benötigt außerdem einen passenden Abstand zwischen benachbarten Bahnen, der wiederum nicht mit dem Pulsabstand entlang einer Bahn identisch ist.

Eine Markierung anhand ihrer Aufgabe abnehmen

Vor einer Bemusterung wird festgelegt, was als erfolgreich gilt. Für einen maschinenlesbaren Code können Lesbarkeit unter definierten Bedingungen und die Beständigkeit nach vereinbarter Reinigung entscheidend sein. Bei einer Skala stehen zusätzlich die Lage und Unterscheidbarkeit der Striche im Vordergrund. Die Prüfung sollte genau diese Eigenschaften erfassen, statt nur ein Foto der frisch markierten Oberfläche zu bewerten.

Ein eigener Vergleichsplan kann dieselbe Geometrie auf eindeutig bezeichneten Materialproben verwenden und die Ergebnisse mit zugehörigen Prozessdaten dokumentieren. Änderungen werden getrennt betrachtet, damit ihre Wirkung nachvollziehbar bleibt. Ein Prüfplan ordnet Merkmal, Prüfmethode und Reaktion auf Abweichungen zu. Die erforderliche Prüfung ergibt sich aus dem Produkt; aus der Bezeichnung UV entsteht kein allgemeingültiges Abnahmekriterium.

Strahlquelle und sichere Gesamtanlage getrennt bewerten

Eine Strahlquelle ist noch keine vollständig abgesicherte Bearbeitungsmaschine. Die BAuA erläutert, dass für die Klassifizierung die zugängliche Strahlung maßgeblich ist und ein gekapseltes System einen Laser höherer Klasse enthalten kann. Eine Klassifizierung für den vorgesehenen Betrieb lässt sich deshalb nicht auf einen geöffneten Servicezustand übertragen. Einzelheiten erläutert der Beitrag zur Lasersicherheitsklasse.

Neben der Strahlung müssen die beim Prozess entstehenden Stoffe berücksichtigt werden. Die DGUV behandelt diese beiden Gefährdungsbereiche beispielsweise für das Reinigen und Entschichten mit Laserstrahlung und fordert eine wirksame Erfassung der Abtragprodukte. Für eine UV-Markieranlage ist entsprechend die konkrete Material- und Prozessbewertung erforderlich. Der Werbebegriff Kaltmarkierung beantwortet weder die Frage nach geeigneter Absaugung noch nach dem Strahlenschutz. Schutzvorrichtungen und Verriegelungen bleiben Teil des bestimmungsgemäßen Betriebs.