Lasergravur

Lasergravur ist ein abtragendes Fertigungsverfahren, bei dem ein fokussierter Laserstrahl Material an der Oberfläche eines Werkstücks verdampft oder sublimiert und dadurch eine dauerhafte Vertiefung erzeugt. Das Ergebnis ist eine fühlbare, in die Tiefe gehende Struktur, beispielsweise ein Schriftzug, ein Logo, eine Seriennummer oder ein maschinenlesbarer Code. Die Lasergravur zählt neben dem Laserschneiden und dem Laserschweißen zu den wichtigsten Verfahren der Lasermaterialbearbeitung.

Von der Lasergravur abzugrenzen ist die Laserbeschriftung im engeren Sinn. Bei der Beschriftung wird die Oberfläche nur optisch verändert, etwa durch Anlassen von Edelstahl (Farbumschlag durch dünne Oxidschichten) oder durch Farbumschlag von Pigmenten in Kunststoffen. Ein nennenswerter Materialabtrag findet dabei nicht statt, die Oberfläche bleibt weitgehend eben. Die Gravur trägt dagegen gezielt Material in die Tiefe ab, typischerweise einige Hundertstel bis Zehntel Millimeter, bei der Tiefengravur auch deutlich mehr. Im Sprachgebrauch werden beide Begriffe häufig synonym verwendet, technisch handelt es sich jedoch um unterschiedliche Wirkmechanismen, die sich teilweise mit derselben Anlage umsetzen lassen.

Laserkopf beim Gravieren einer Seriennummer auf eine gebürstete Edelstahlplatte; der fokussierte Strahl trägt Material lokal ab.

Physikalisches Prinzip

Grundlage der Lasergravur ist die Absorption von Laserstrahlung im Werkstück. Der Laserstrahl, physikalisch gebündeltes, kohärentes Licht, wird über eine Optik auf einen Brennfleck mit einem Durchmesser von typischerweise einigen zehn bis hundert Mikrometern fokussiert. Im Fokus entstehen dadurch sehr hohe Intensitäten, die das Material lokal in Sekundenbruchteilen über die Verdampfungstemperatur erhitzen. Das Material geht direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über (Sublimation) oder schmilzt zunächst auf und verdampft anschließend. Der entstehende Dampfdruck treibt zusätzlich Schmelze aus der Bearbeitungszone aus. Zurück bleibt eine Vertiefung, deren Form und Tiefe über Leistung, Vorschubgeschwindigkeit, Fokuslage und Anzahl der Überfahrten gesteuert wird. Die zugrunde liegenden Zusammenhänge von Absorption, Wärmeleitung und Phasenübergang behandelt der Artikel Laserphysik.

Entscheidend für den Prozess ist, wie gut das Material die eingesetzte Wellenlänge absorbiert. Metalle absorbieren die Strahlung von Faserlasern im nahen Infrarot (um 1 µm) deutlich besser als die langwellige Strahlung eines CO2-Lasers (10,6 µm). Organische Materialien wie Holz, Leder und Papier, viele Kunststoffe sowie Glas absorbieren umgekehrt die CO2-Wellenlänge sehr effizient.

Puls- und Dauerstrichbetrieb

Für die Gravur werden überwiegend gepulste Laser eingesetzt. Durch Güteschaltung (Q-Switch) wird die Energie in kurzen Pulsen im Nanosekundenbereich freigesetzt; die Spitzenleistung liegt dabei um Größenordnungen über der mittleren Leistung. Der kurze, intensive Energieeintrag verdampft das Material, bevor sich die Wärme großflächig im Werkstück verteilt. Die Wärmeeinflusszone bleibt klein, Kanten bleiben scharf.

Dauerstrichlaser (cw, continuous wave) geben ihre Leistung kontinuierlich ab. Sie werden vor allem beim Laserschneiden und Laserschweißen eingesetzt. Für feine Gravuren sind sie weniger geeignet, weil der kontinuierliche Wärmeeintrag zu Aufschmelzungen, Graten und Verzug führen kann. Eine Sonderstellung nehmen Ultrakurzpulslaser ein: Bei Pulsdauern im Piko- und Femtosekundenbereich wird das Material abgetragen, bevor die Wärme in das umliegende Gefüge diffundieren kann. Dieser Vorgang wird als kalte Ablation bezeichnet.

Verfahren und Lasertypen

Bei der Prozessführung wird zwischen Rastergravur und Vektorgravur unterschieden. Die Rastergravur baut das Motiv zeilenweise auf, ähnlich einem Drucker, und eignet sich für Flächen und Fotogravuren. Die Vektorgravur folgt den Konturen des Motivs und ist bei Linien und Schriften schneller. Industrielle Markiersysteme lenken den Strahl über Galvanometer-Scanner mit zwei beweglichen Spiegeln; eine Planfeldoptik hält den Fokus über das gesamte Markierfeld in der Bearbeitungsebene. In Flachbettanlagen, wie sie in der Werbetechnik verbreitet sind, wird stattdessen der Bearbeitungskopf mechanisch über das Werkstück verfahren.

Faserlaser

Der Faserlaser ist das Standardwerkzeug für die Metallgravur. Als aktives Medium dient eine mit Seltenen Erden dotierte Glasfaser (im Aufbau einem LWL verwandt), die Emission liegt im nahen Infrarot um 1064 nm. Gütegeschaltete Faserlaser mit mittleren Leistungen von etwa 20 bis 100 W dominieren die industrielle Kennzeichnungstechnik. Varianten mit einstellbarer Pulsdauer (MOPA-Bauweise) erweitern das Spektrum um Anlassfarben auf Edelstahl und besonders kontrastreiche Markierungen auf eloxiertem Aluminium. Für die Tiefengravur, etwa von Prägestempeln oder Spritzgussformen, wird die Kontur in vielen Überfahrten schichtweise abgetragen.

CO2-Laser

Der CO2-Laser emittiert bei 10,6 µm und ist der bevorzugte Lasertyp für organische Materialien: Holz, Papier, Karton, Leder, Textilien, Acrylglas und viele weitere Kunststoffe lassen sich damit gravieren und schneiden. Auch Glasoberflächen können mattiert werden. Metalle reflektieren die langwellige Strahlung dagegen weitgehend, eine direkte Metallgravur ist mit üblichen CO2-Leistungen nicht praktikabel. CO2-Flachbettanlagen sind in Werbetechnik, Modellbau und Verpackungsindustrie weit verbreitet.

Festkörper- und Ultrakurzpulslaser

Vor der Verbreitung des Faserlasers waren lampen- und diodengepumpte Nd:YAG-Festkörperlaser der Standard für die Metallkennzeichnung; in Bestandsanlagen sind sie weiterhin anzutreffen. Ultrakurzpulslaser (UKP) mit Piko- oder Femtosekundenpulsen ermöglichen einen nahezu wärmefreien, gratfreien Abtrag mit sehr hoher Präzision. Sie werden für empfindliche Werkstoffe in Medizintechnik, Elektronik und Feinwerktechnik eingesetzt, sind jedoch deutlich teurer und erreichen geringere Abtragsraten als gütegeschaltete Faserlaser.

Materialien

Die Eignung eines Materials hängt von Wellenlänge, Pulsregime und Materialzusammensetzung ab. Die folgende Tabelle gibt eine Orientierung für gängige Werkstoffe.

Material	Geeigneter Lasertyp	Typisches Ergebnis
Edelstahl und andere Metalle	Faserlaser (gütegeschaltet)	fühlbare, dauerhafte Vertiefung; je nach Parametern dunkle oder metallisch helle Gravur
Aluminium, eloxiert	Faserlaser	heller, kontrastreicher Abtrag der farbigen Eloxalschicht; sehr beständige Kennzeichnung
Kunststoffe	Faserlaser oder CO2-Laser, abhängig vom Polymer	je nach Additivierung Abtrag, Aufschäumen oder Farbumschlag; Vorversuche üblich
Holz	CO2-Laser	braune bis dunkle Gravur durch Karbonisierung, fühlbare Tiefe
Glas	CO2-Laser, alternativ UKP-Laser	mattweiße Oberflächengravur durch feine Mikrorisse
Leder	CO2-Laser	dunkle, leicht vertiefte Gravur mit hohem Kontrast

Nicht jedes Material ist für die Laserbearbeitung geeignet. Chlorhaltige Kunststoffe wie PVC setzen beim Verdampfen korrosive und gesundheitsschädliche Gase frei und gelten daher als ungeeignet. Grundsätzlich entstehen bei jeder Gravur Rauch und Partikel, weshalb eine Absaugung mit Filterung zum Stand der Technik gehört.

Industrielle Anwendungen

• Seriennummern und Chargennummern: Direktkennzeichnung von Bauteilen (Direct Part Marking) in Automobilbau, Maschinenbau und Elektronik. Die Gravur übersteht Lackieren, Reinigen und mechanische Beanspruchung.
• Typenschilder: Gravierte Schilder aus Edelstahl oder eloxiertem Aluminium bleiben auch unter Witterungseinfluss, UV-Strahlung, Chemikalien und Abrieb lesbar und erfüllen damit die Anforderungen an dauerhafte Maschinenkennzeichnung.
• Rückverfolgbarkeit und UDI: Maschinenlesbare DataMatrix-Codes ermöglichen die lückenlose Rückverfolgung von Bauteilen über den gesamten Lebenszyklus. In der Medizintechnik ist die eindeutige Produktkennzeichnung (UDI, Unique Device Identification) für viele Produkte vorgeschrieben; die Laserkennzeichnung hat sich hier etabliert, da sie Reinigungs- und Sterilisationszyklen übersteht.
• Werkzeug- und Formenbau: Tiefengravur von Prägestempeln, Schlagstempeln und Spritzgussformen, auch in gehärteten Stählen.
• Werbemittel und Personalisierung: Kugelschreiber, USB-Sticks, Pokale, Schmuck und Geschenkartikel lassen sich ab Stückzahl eins individualisieren, da weder Werkzeuge noch Druckvorlagen benötigt werden.

Vorteile gegenüber mechanischer Gravur

Gegenüber dem mechanischen Gravieren mit Stichel oder Fräser bietet die Lasergravur mehrere grundsätzliche Vorteile:

• Berührungslose Bearbeitung: Es wirken keine Bearbeitungskräfte auf das Werkstück. Dünnwandige, kleine oder empfindliche Teile müssen nicht aufwendig gespannt werden.
• Kein Werkzeugverschleiß: Es gibt kein Werkzeug, das stumpf wird oder bricht. Die Qualität bleibt über beliebige Stückzahlen konstant.
• Materialhärte weitgehend unerheblich: Auch gehärtete Stähle und Hartmetalle lassen sich gravieren, an denen mechanische Werkzeuge schnell verschleißen.
• Feinste Details: Kleine Schriften, filigrane Logos und maschinenlesbare Codes mit wenigen Millimetern Kantenlänge sind zuverlässig umsetzbar.
• Flexibilität: Jedes Motiv kommt direkt aus den digitalen Daten. Wechselnde Inhalte wie fortlaufende Seriennummern oder Datumscodes verursachen keine Rüstzeiten.
• Automatisierbarkeit: Markierlaser lassen sich in Fertigungslinien integrieren und kennzeichnen im Takt der Produktion.

Dem stehen höhere Anschaffungskosten und ein begrenzter Abtrag pro Überfahrt gegenüber; sehr tiefe Gravuren erfordern entsprechend lange Bearbeitungszeiten. Zudem gelten für den Betrieb die Anforderungen des Laserschutzes: Materialbearbeitungslaser fallen nach der Klassifizierung der Norm DIN EN 60825-1 in der Regel in die höchste Laserklasse 4, weshalb offene Anlagen umfangreiche Schutzmaßnahmen erfordern. Vollständig gekapselte Systeme können dagegen als Anlagen der Klasse 1 betrieben werden. Einzelheiten behandelt der Artikel Laser Sicherheit.

Siehe auch

• Laserschneiden und Laserschneiden Metall
• Laserschneidmaschine
• Laser Sicherheit
• Geschichte des Lasers