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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
UKP MARKING
Blackmarking
Christoph Neugebauer
Ditzingen, 06.09.2018
LAC Ditzingen
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018 2
Anwendungen Ultrakurzpulse Funktionen
Technologie Partnerschaft
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Ultraschnelle Laser
Wie kurz ist ultrakurz?
3
1 Sekunde (s) = 10-0 s = 1 s
1 Millisekunde (ms) = 10-3 s = 0,001 s
1 Mikrosekunde (µs) = 10-6 s = 0,000 001 s
1 Nanosekunde (ns) = 10-9 s = 0,000 000 001 s
1 Picosekunde (ps) = 10-12 s = 0,000 000 000 001 s
in 1 ps
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
WIE LANGE MÜSSEN WIR AUF DEN NÄCHSTEN PULS WARTEN, WENN WIR EINEN PULS VON 1 PS BEI 1 MHZ ZU EINEM PULS VON 1 S LINEAR SKALIEREN?
Frage
4
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Mikroanwendungen - ns-Pulse
▪ Absorptionsdauer größer als Elektron-Phonon-Wechselwirkungszeit
▪ Erreicht thermisches Gleichgewicht zwischen Elektronen und Gitter
▪ Schmelz- und Bedampfungsphasen (Abtragung)
▪ Absorption im Dampf
Plasmabeschichtung
Absorption
Zeit
Wärme
0 1 ps 100 ps 10 ns 1 µs
Abtragung
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Mikroanwendungen - Ultrakurzpulse
▪ Energieübertragung vom Laserpuls auf die Elektronen (Absorption)
▪ Absorptionsdauer kleiner als Elektron-Phonon-Wechselwirkungszeit
▪ Direkte Materialabtragung
„Kalt“-Anwendung
Hat das Material bemerkt, dass es heiß wird, ist es bereits verschwunden!
Absorption
Zeit
Wärme
0 1 ps 100 ps 10 ns 1 µs
Abtragung
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Vorteile von Ultrakurzpulsen
Hochpräzise „Kalt“-Bearbeitung
7
Hohe Intensität 250 MW Spitzenleistung (< 3 PetaWatt / cm²)
„Kalt“-Verarbeitung Optische Eindringtiefe < thermische Eindringtiefe
Hohe Absorption Nicht-lineare Absorption (Multi-Photonen-Absorption)
Materialunabhängigkeit Verarbeitung von jeder Art von Material
Das ist cool!
30 µm
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Anwendungen Ultrakurzpulse Funktionen
Technologie Partnerschaft
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Eine Allegorie
9
Grundkonzept: MOPA-System
MO:
Master-Oszillator
- Frequenz
- Tonlänge
PA:
Leistungsverstärker
- Benötigte Energie
- Tonlänge
Anpassung:
Equalizer
- Frequenzumwandlung
- Tonlängenabstimmung
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Eine Allegorie
10
Grundkonzept: MOPA-System
MO:
Master-Oszillator
- Frequenz
- Tonlänge
PA:
Leistungsverstärker
- Benötigte Energie
- Tonlänge
Anpassung:
Equalizer
- Frequenzumwandlung
- Tonlängenabstimmung
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Von Stab- zu Scheiben- und Faserlasern
11
Ein Weg, um gegen den
thermischen Linseneffekt des
Stablasers anzugehen:
• Kühlung verbessern durch
Vergrößerung des
Oberflächen-Volumen-
Verhältnisses
Zwei Lösungen:
• Zu einer Faser ausdehnen
• Zu einer Scheibe
komprimieren
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Drei Integrationsstufen verfügbar bis zu einer
schlüsselfertigen Lösung
12
Reine OEM-Laserlichtquelle
Freistrahllaser-Führungskomponenten erhältlich
Alle Schnittstellen
OEM-Integrationspakete (inkl. Kühler und Computer)
▪ TruMicro 2000:
Laserlichtquelle, Scanner, 3D-Programmiersoftware
▪ TruMicro Mark 2000:
Laserlichtquelle, Scanner, Beschriftungssoftware
Optional in TruMark Station 5000 integriert
TruMicro 2000
TruMicro (Mark) 2000
TruMicro Mark 2000 in TruMark Station 5000
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
TruMicro (Mark) 2000 Laserlichtquellen-Optionen
13
TruMicro
2020
TruMicro
2030
Durchschnittsleistung 10 W 20 W
Wellenlänge 1030 nm 1030 nm
Garant. Strahlqualität M²>1,3 M²>1,3
Pulsdauer20 ps 20 ps
Max. Pulsenergie10 µJ 20 µJ*
Max. Wiederholrate0 - 1000 kHz 0 - 1000 kHz
Multipulsmodus bis zu 4 Pulse bis zu 8 Pulse
Puls auf Anforderung Ja Ja
Grundgeräte-Laserlichtquellen +Zusätzliche Optionen
<400 fs und 900 fs verfügbar
20 µJ und 50 µJ verfügbar
bis zu 100 µJ auf Anforderung verfügbar
2 MHz verfügbar
*Standard für TruMicro 2030
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Anwendungen Ultrakurzpulse Funktionen
Technologie Partnerschaft
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Funktion 2: Externer Modulator/Null-Abbau-Ausführung
Eigenschaften:
▪ Analoges HV-Signal regelt die übertragene Pulsenergie
▪ Pulse können von Puls zu Puls angegangen werden (beispielsweise jeder zweite Puls)
▪ Auch wenn sich die interne Leistung leicht verändert, bleibt die Ausgangsleistung konstant
▪ Sehr flexibles System, Wiederholrate und verschiedene Pulsenergien einstellbar
▪Kein Problem mit dem ersten Puls, 100 % der angeforderten Pulsenergie ab dem
ersten Puls
▪Leistungsregulierung, doppelte Feedbackschleife, stabile Ausgangsleistung,
keine Verschlechterung
Eingestellter Leistungspegel
Stets 10 % Leistungsreserve
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018 16
Anwendungen Ultrakurzpulse Funktionen
Technologie Partnerschaft
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Stealth-Technologie Äußerst kontrastreiche Beschriftung
mit Ultrakurzpulslasern
Schwarzes Silikon
17
Sie haben viel gemeinsam!
© Aalto University© Trumpf© www.theamericanmind.com
Minimale Strahlungsreflexion aufgrund von:- Absorptionsschicht
- spezieller Oberflächenstruktur
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018 18
Bedürfnisse und Erwartungen
Qualitativ hochwertige Beschriftung für medizinische Geräte
Hoher
Kontrast
Passivierungs
-beständig
Korrosions
beständig
Haltbar
Langfristige
Lesbarkeit
(UDI) Gleichbleibende
Beschriftungs-
ergebnisse
Für
Autoklavieren
geeignet
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.201819
Prozessgrenzen
Korrosions-
beständig
Hoher
Kontrast
Haltbar
Bestimmte Art von Oxidschicht
Temperaturregime < 500 °C
Chromgehalt
Oberflächenbehandlung
Austenitischer oder martensitischer Stahl
Oxidschichtdicke
Wechselwirkungszeit
Pulsdauer
Atmosphäre
Matte Oberfläche
LIPSS auf der Oberfläche für Lichtbrechung
Lichtabsorbierende Oxidschicht
Oberflächenbehandlung
UKP
Nanosekunde
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Schwarze Beschriftung – Kontrast und Korrosion
20
• Hoher Kontrast
• Bildung von „Nano-Riffeln“ (laser-induced
periodic surface structures (laserinduzierte
periodische Oberflächenstrukturen),
LIPSS)
• Schaffung einer dünnen Oxidschicht
• Hohe Korrosionsbeständigkeit
• Glühen Freies Chrom wird durch
Wärme chemisch reduziert (CrNi, CrC)
• Ultrakurze Pulse belassen genügend
freies Chrom in der Oberfläche
selbstheilende Chromoxidschicht (ca. 5–
50 Atomlagen)
gestreute Reflexion
Lichtfang
Gecys et al. J. Laser Micro Nanoen. 10, 2 (2015)
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Grundlegendes über Edelstahl
21
• Nach EN 10020 darf der Chromgehalt von Edelstahl nicht weniger als 10,5 % (in älteren
Quellen wurden 12 % angegeben) betragen, während der Kohlenstoffgehalt 1,2 % nicht
überschreiten darf.
• Das Chrom bildet zusammen mit dem Sauerstoff aus der Luft spontan eine dünne,
schützende Oxidschicht (Passivschicht) auf der Oberfläche des Edelstahls.
• Die Korrosionsbeständigkeit kann zusätzlich verbessert werden, indem weitere
Legierungselemente hinzugefügt werden, wie beispielsweise Nickel, Molybdän, Stickstoff
und Titan (oder Niob).
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Die Passivschicht – Chromoxide und Chromhydroxide
22
• Merkmale abhängig von
Legierungstyp,
Metallqualität,
Oberflächenbehandlung,
Oberflächenreinheit und
umgebendem Medium.
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Prüfaufbau
Ziele, Material und Ausrüstung
23
Wodurch wird eine matte Oberfläche verursacht (LIPSS?)? (SEM)•
Ist eine Oxidschicht• vorhanden? (EDX)
Unterschiede zwischen Piko• - und Femtosekundenlaser?
2 • verschiedene Edelstähle:
1.4021 1. – martensitischer Edelstahl - X20Cr13
1.4301 2. – austenitischer Edelstahl– X5CrNi18 -10
Lasersystem: •
TruMicro
2030
TruMicro
2030
Durchschnittsleistung 20 W 20 W
Wellenlänge 1030 nm 1030 nm
Pulsdauer 20 ps 900 fs
Max. Pulsenergie 20 µJ* 20 µJ*
Max. Wiederholrate 0 - 1000 kHz 0 - 1000 kHz
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
OBERFLÄCHENUNTERSUCHUNG
24
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018 25
SEM - Anlassbeschriftung mit Nanosekundenlaser
Nützlich für Vergleiche
1.4301
• Eine homogene Oxidschicht wird erzielt
• Dünne Schmelzphase vorhanden
• Einige Nanorisse sind in der Oberfläche sichtbar
• In kleinen Verarbeitungsfenstern geeignet für die Beschriftung medizinischer Geräte
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
900 fs20 ps
26
SEM - Oberflächenuntersuchung
1.4021 martensitischer Edelstahl
• Übersicht
• Keine Abtragung von Material im beschrifteten Bereich
• Schleifspuren weiterhin sichtbar
• Farbänderung sichtbar
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018 27
SEM - Oberflächenuntersuchung
1.4021 martensitischer Edelstahl
20 ps
• Riffel sind sichtbar
• Überwiegend zur Polarisation
ausgerichtet
• Jedoch durch die Oberfläche beeinflusst
900 fs
• Wesentlich feinere Riffelstruktur
• Riffel zur Polarisation ausgerichtet
• Kein Einfluss auf die Oberfläche
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
900 fs20 ps
28
SEM - Oberflächenuntersuchung
1.4301 austenitischer Edelstahl
• Übersicht
• Keine Abtragung von Material im beschrifteten Bereich
• Völlig unterschiedliches Verhalten von ps und fs hinsichtlich der Riffelstruktur
• Farbänderung sichtbar
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
900 fs
• Wesentlich feinere Riffelstruktur
• Riffel zur Polarisation ausgerichtet
• Kein Einfluss auf die Korngrenzen
• Homogen auch in den Tälern
20 ps
• Unterschiedliche Riffelausrichtung
abhängig von der Kornorientierung
• Kleine Schmelztropfen
29
SEM - Oberflächenuntersuchung
1.4301 austenitischer Edelstahl
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018 30
SEM - Oberflächenuntersuchung
1.4301 austenitischer Edelstahl
20 ps
Die volle Riffelstruktur ist innerhalb von •
10 µm zur Kante vorhanden
Einige Nanopartikel außerhalb des •
beschrifteten Bereichs
900 fs
• Scharfe Kante
• Feine Riffelstruktur
• Volle Riffelstruktur innerhalb von 3 µm
• Keine Fremdkörper sichtbar
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EDX-ANALYSEN
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EDX-Analysen
1.4021 martensitischer Edelstahl
32
Grün: Grundmaterial
Rot: beschrifteter Bereich
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
EDX-Analysen
1.4301 austenitischer Edelstahl
33
Grün: Grundmaterial
Rot: beschrifteter Bereich
• Beide Materialien weisen die materialspezifischen Elemente auf
• Im beschrifteten Bereich wird zusätzlich Sauerstoff festgestellt
• Daher muss eine dünne Oxidschicht vorhanden sein (nicht durch ein Lichtmikroskop
feststellbar)
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QUALITÄTSPRÜFUNG
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Korrosionsprüfung
Prüfaufbau
35
Da es kein national oder international standardisiertes Verfahren für die Prüfung und
Nachbearbeitung von medizinischen Geräten gibt, wurden drei verschiedene
Verfahrensschritte identifiziert:
1. Passivierung des Teils
• Die Passivierung erfolgte durch die Verwendung von Citrisurf 2250® von Stellar
Solutions in der festgelegten Konzentration von 40 % Zitronensäure bei 50 °C–
55 °C für 10 Min.
• Quality Gate: Kein Verblassen der Farbe
2. Kochprüfung gemäß DIN EN ISO 13402
• Kochen in deionisiertem Wasser für 30 Min., Verweilen im Wasser für 1 Std.,
Trocknen in der Luft für 2 Std.
• Quality Gate: sichtbare Korrosion
3. Salzwasserprüfung
• Als Elektrolyt wurde eine Ringer-Salzlösung gewählt. (0,9 % NaCl)
• Die Teile verblieben 24 Std. im Salzbad, wurden herausgenommen, mit Wasser
gereinigt
• Quality Gate: sichtbare Korrosion
• Proben, die das Quality Gate nicht erreichten, wurden aussortiert.
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018 36
In der gezeigten Matrix werden die Pulsenergie um ± 5 % und der Schraffurabstand um ±
5 µm variiert.
• Das Verarbeitungsfenster für die Beschriftung mit einem Ultrakurzpulslaser ist viel
größer als für eine Beschriftung mit einem Nanosekundenlaser
• Unabhängig von der Oberflächenbehandlung, wie Schleifen, Polieren und
Sandstrahlen, ...
• Ergebnisse mit 900 fs zeigen etwas größere Verarbeitungsfenster
Korrosionsprüfung
Passivierun
g
Kochprüfung Salzprüf
ung
24
Std
.
3,5
Std.
10 Min.
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WEITERE ANWENDUNG FÜR TRUMICRO 2000
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Saphirbearbeitung
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Entfernen der Isolierung von Drähten
Übersicht
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Anforderung:
• Allgemeine Prüfung Gravur von
Keramik mit (Al2O3) mit
TruMicro 2030
Ausrüstung:
• TruMicro 2030 (IR)
• Optik f = 100 mm
• Burst-Modus (1,2,…,8)
Ergebnis:
• Volumenabtragsrate bis zu
3 mm³/min; 100 µm Tiefe
• Taper ~25°
• Kein Grat
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Keramikgravur
Übersicht
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UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
Christoph Neugebauer, LAC Ditzingen
Ditzingen, 06.09.2018
UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018
11,5 TAGE
Ergebnis:
41