QR-Code über Mikrostrukturen

Das Spritzgussteil fällt mit integriertem QR-Code aus der Maschine. Der ist weder aufgedruckt noch muss er als schwarz-weißes Element auf dem Produkt sichtbar sein. Wenn entsprechende Mikrostrukturen ins Werkzeug eingebracht sind, reicht der Kontrast zwischen den erhabenen und tieferliegenden Bereichen des Codes aus, um diesen mit einer Kamera auszulesen.

Dass das möglich ist, hat am Anfang kaum einer der Beteiligten geglaubt. Der entscheidende Faktor, der bei dieser Idee zum Erfolg führte, war die unterschiedliche Lichtbrechung der Strukturen, die den Code bilden: Eine spezielle Mikrostrukturierung ruft einen tiefschwarzen Effekt hervor, der sich von den glatten Oberflächen ringsum abhebt. So kann der Code von Smartphones gescannt werden. Erstaunlich: Das funktioniert sogar, wenn man den QR-Code abfotografiert und der Kamera nur das Bild präsentiert.

Dieser QR-Code schien etwas Unmögliches zu sein

„Während des Projekts hatte ich manchmal das Gefühl, als versuchten wir, das Unmögliche möglich zu machen“, berichtet Alexander Renz. Er ist Geschäftsführer der Hailtec GmbH im schwäbischen Hohenstein-Meidelstetten. Sein Unternehmen ist spezialisiert auf präzise Hightech-Anwendungen, auch auf den Einsatz von Ultrakurzpulslasern, die in diesem Projekt erforderlich waren. Doch selbst wenn die Idee kaum machbar schien, sagt er: „Aufgeben kam nicht infrage. So haben wir uns immer tiefer in das Thema verbissen – und sind heute wahnsinnig stolz, es geschafft zu haben.“

Den Stein ins Rollen brachte die Anfrage von Jochen Keppler, Inhaber der Keppler Feinmechanik im württembergischen Engelsbrand. Seine Auftraggeber wenden sich an ihn, wenn es um Kunststoffteile mit komplexen Geometrien geht und Spritzgussformen mit besonderen Eigenschaften gefordert sind. Er war auf der Suche nach einem Verfahren, mit dem sich ein Formeinsatz fertigen lässt, um besagte QR-Codes aus Kunststoff herstellen zu können. Bei einem namhaften Spritzgießmaschinen-Hersteller bekam er die Auskunft, dass das Vorhaben „nicht machbar“ sei. Doch Keppler war überzeugt, dass sich die Idee mithilfe von Reflexion an der Oberfläche umsetzen lassen müsste und Hailtec mit seinen UKP-Lasern der richtige Partner dafür wäre.

Alexander Renz und sein Team nahmen die Herausforderung an und holten Expertise hinzu: Sylvia Goldbach von der Taktilesdesign GmbH in Lübeck. Ihr Spezialgebiet sind funktionelle Oberflächenstrukturen, die als skalierbare Daten für die Produktion bereitgestellt werden. Dafür ist mitunter auch der Ultrakurzpulslaser erforderlich, und mit Hailtec hatten die Lübecker Entwickler schon zusammengearbeitet.

Nun war das Team mit drei Partnern komplett. Als Anwendungsbeispiel für seine Idee wählte Keppler Münzchips mit 22 mm Durchmesser, wie sie als Pfand für Einkaufswagen bekannt sind. Sie wurden aus Kunststoff auf Polyamid-Basis hergestellt, der mit 80 % Wolfram gefüllt ist und von dem US-amerikanischen Anbieter Polyone hergestellt wird. Der Werkstoff hat eine Dichte von 11 g/cm³ und wurde auf Spritzgießmaschinen von Arburg verarbeitet.

Femto-Laserstrahlen erschaffen die winzinge Strukturen für den QR-Code

Die Strukturen für den QR-Code wurden mit Femto-Laserstrahlen in den Formeinsatz eingebracht. Die spezielle Struktur, die das Auge als schwarz wahrnimmt, setzt sich, grob gesagt, aus besonders angeordneten winzigen Pyramiden zusammen. Mit dem Ultrakurzpulslaser lassen sich solche 3D-Mikrostrukturen mit deutlich feinerer Auflösung erzeugen als mit herkömmlicher Nanolasertechnologie. Das Material sublimiert, ohne Wärmeeinwirkung und Schlackebildung – deshalb beschränkt sich die Nacharbeit auf ein Minimum.

Der mit Hilfe der Laserstrahlen erzeugte und auf Mikrostrukturen basierende QR-Code auf Kunststoff ist im Testbeispiel etwa 11 mm x 11 mm groß und lässt sich vielfältig nutzen. Dafür ist die Anwesenheit von Wolfram keine Bedingung – dieser Bestandteil war lediglich für den Test gewählt, um dem Chip in der Hand Gewicht zu verleihen. Auch scanbare QR-Codes auf Kunststoffprodukten wie Autoreifen und sonstigen Konsumgütern sind eine Möglichkeit. In der Medizintechnik könnte die Technik als Herstellerkennzeichnung angewendet werden, zum Kennzeichnen von Gehäusen, zum Hinterlegen von Informationen wie Videoanleitungen für einen Austausch oder als Schutz vor Produktpiraterie.

Tests zur Größe des Codes und zu weiteren Werkstoffen

Von den Kosten her sollte ein Formeinsatz mit den Mikrostrukturen – nachdem die Technik einmal entwickelt wurde – in der üblichen Größenordnung liegen. An Machbarkeitstests mit Werkstoffen arbeitet Keppler Feinmechanik. Über Metal Injection Moulding (MIM) ließ sich der QR-Code mit dem beschriebenen Testwerkzeug auch in Metall einbringen. „Bei Kunststoffen muss man für das konkrete Projekt testen, wie die Resultate sind“, sagt Jochen Keppler. Mit PEEK beispielsweise sollte ein QR-Code nach Ansicht des Geschäftsführers machbar sein – nur bei weißem oder transparentem Material wären die Kontraste nicht ausreichend. Es gilt: je dunkler, desto besser.

Was die Skalierbarkeit des Codes angeht, laufen Tests bei Hailtec. Nach oben gebe es keine Limits, beliebig klein könnten die Strukturen aber nicht werden, da für den Kontrast ein gewisses Größenverhältnis gewahrt sein muss, sagt Alexander Renz. Er geht davon aus, dass eine Untergrenze bei etwa 5 bis 6 mm Kantenlänge des QR-Codes liegt – wobei Details auch vom verwendeten Material abhängen. (op)

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