Eine Markierung für Metallbauteile auf Basis keramischer Leuchtstoffe hält selbst hohen Temperaturen stand, ohne die Eigenschaften des Bauteils zu beeinflussen. Die Komplettlösung umfasst alle Arbeitsschritte vom Aufbringen bis zum Auslesen der Markierung.
Um Halbzeuge und Produkte zuverlässig, eindeutig und fälschungssicher zu markieren, existieren verschiedenste Kennzeichnungslösungen am Markt. Diese reichen von einer simplen Seriennummer bis hin zu integrierten RFID-Chips (Radio Frequency Identification).
Den speziellen Anforderungen in der Metallverarbeitung werden diese Lösungen jedoch oft nicht gerecht. Als problematisch erweisen sich beispielsweise Tinten, die nicht ausreichend temperaturstabil sind. Damit ist deren Einsatz bei den erhöhten Werkstücktemperaturen von bis zu 1250 °C problematisch. Zudem kann sich während der Bearbeitung die Werkstoffoberfläche verändern, was den Kontrast zwischen Metalloberfläche und Markierung verringert, so dass diese nicht mehr ausgelesen werden kann. Temperaturstabile Etiketten wiederum tragen zu viel Material auf und stören so die weitere Verarbeitung.
Forscher am Fraunhofer IKTS nahmen sich dieser Herausforderung an und entwickelten die Ceracode-Markierlösung, mit der sich Bauteile individuell markieren lassen. Kernelement des Verfahrens sind keramische Leuchtstoffe. Diese reagieren auf optische Anregung durch Licht – wie beispielsweise UV-Licht – mit ausgeprägter Lumineszenz und sind sehr robust. Verwendet werden hierfür vorwiegend Oxide, Oxysulfide oder Fluoride. Die verschiedenen Leuchtstoffe sind auch bei hohen Temperaturen inert, unempfindlich gegen Feuchtigkeit und lassen sich mit verschiedenen Matrixmaterialien mischen. Damit ist es möglich, die Leuchtstoffe direkt in Tinten oder Pasten einzubringen und auf Bauteile zu drucken.
„Je nachdem, ob statische oder dynamische Informationen aufgedruckt werden, wird dafür Sieb- oder Tintenstrahldruck eingesetzt“, erläutert Dr. Thomas Härtling, Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS. Beide Verfahren könnten in die Fertigungsstraße integriert werden. Da nur kleinste Materialmengen verdruckt werden, sei eine Beeinflussung der Werkstückeigenschaften oder der Haftung von Beschichtungen auszuschließen. Eingesetzt werden häufig Pigmente von 1 bis 10 μm Partikelgröße. Daher sind sehr dünne Beschichtungen möglich, und eine Markierung lässt sich auch in sehr dünne Schichten integrieren.
Die mit Leuchtstoffen versetzten Tinten und Pasten sind sicher und umweltfreundlich, so dass nach Angaben der Entwickler keine weiteren Arbeitsschutzmaßnahmen notwendig sind. Durch den hohen Kontrast zwischen Markierung und Trägermaterial sei ein Auslesen in allen Beleuchtungssituationen möglich.
In der Metallverarbeitung, aber auch in der Glas- und Keramikproduktion kann so eine Rückverfolgbarkeit vom Rohstoff bis zum Endprodukt lückenlos sichergestellt werden. Die Lösung trägt zur Kostensenkung bei, beispielsweise beim Vor- oder Nachsortieren von Einzelkomponenten, bei der Automatisierung von Handlingschritten oder in der Qualitätssicherung. Darüber hinaus werden Haftungs- und Imagerisiken reduziert, da fehlerhafte Produktchargen schnell und sicher identifiziert werden können.
Wie stark die Markierung nachleuchtet, kann darüber hinaus kundenspezifisch angepasst werden. Da diese Anpassung sowohl während als auch nach der Synthese der Leuchtstoffe erfolgen kann, entstehen Eigenschaften, die nur unter hohem Zeit- und Kostenaufwand kopiert werden können und damit fälschungssicher sind. Dieser Vorteil kann zum Beispiel bei der Markierung von Ersatzteilen oder anderen Komponenten genutzt werden.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel der Leuchtstoffe ergibt sich daraus, dass das Bestrahlen mit Elektronen die Nachleuchtzeit nach einem Laserimpuls beeinflusst. Je größer die Dosis, mit der bestrahlt wurde, desto kürzer fällt das Nachleuchten aus. Diese Materialeigenschaft kann auch in der Dosisbestimmung bei der Elektronenstrahlsterilisation genutzt werden, zum Beispiel an kompliziert geformten, schwer zugänglichen Oberflächen medizinischer Produkte und ihrer Verpackungen, aber auch bei Lebensmittelverpackungen. Der Einsatz kommerzieller Dosismessstreifen ist in diesen Fällen häufig nicht möglich.
Katrin Schwarz Fraunhofer IKTS, Dresden
Weitere Informationen Über die Arbeiten am Fraunhofer IKTS: www.ikts.fraunhofer.de
Keramische Leuchtstoffe zur Prüfung
Die Eigenschaften der keramischen Leuchtstoffe wurden in den vergangenen Jahren in der Arbeitsgruppe Optische Prüfverfahren und Nanosensorik im Rahmen des Fraunhofer-Attract-Programms intensiv untersucht. Aufkonversionsmaterialien sind dabei ein gutes Beispiel für den von der Arbeitsgruppe verfolgten Ansatz, optisch aktive Stoffe als mikro- und nanoskalige Sensoren für die Qualitätssicherung und Prozesskontrolle zu nutzen.
Die Pigmente werden an oder in zu prüfende Produkte und Bauteile eingebracht. Wenn sie ihre optischen Eigenschaften verändern, liefert das Hinweise auf die Materialzustände im Prüfobjekt oder über die Prozesshistorie. Neben metallischen Nanopartikeln und Nanodiamanten werden hier auch keramische Leuchtstoffe eingesetzt.
Am früheren Dresdner Standort des Fraunhofer IZFP wurde vorwiegend auf kommerziell erhältliche Partikel und Pigmente zuruckgegriffen. Durch die Integration des Institutsteils in das Fraunhofer IKTS ist es inzwischen möglich, die optischen Materialeigenschaften in der Synthese keramischer Leuchtstoffe gezielt einzustellen.
Ihr Stichwort
- Markieren von Metallteilen
- Individuelle und damit fälschungssichere Keramikmischung
- Einsatz als Pasten und Tinten
- Robust bei hohen Werkstücktemperaturen
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