Sauber und lesbar!
Laserbeschriftungen müssen auch nach häufiger Aufbereitung gut sichtbar sein, um die Rückverfolgung der Produkte zu sichern. Gleichzeitig müssen sie aber eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Ein Verfahren zur Optimierung dieses Prozesses wurde am NMI entwickelt.
Clean and Legible! Reliable Laser Marking Even After Extensive Handling
Laser engraved markings should be clearly visible even after extensive handling or processing in order to ensure product identification and traceability. At the same time, such markings should not be subject to corrosion. A process for optimising these requirements has been developed at the NMI
An den Korrosionsschutz durch Passivierung der Oberfläche werden vor allem, aber nicht nur, im Bereich der Medizintechnik hohe Anforderungen gestellt. Die Passivierung soll Korrosion nach häufiger Wiederaufbereitung verhindern, trotzdem sollen zum Beispiel Lasermarkierungen auch nach Passivierung und Reinigungsprozessen gut lesbar sein, da die Rückverfolgbarkeit garantiert werden muss. Dabei stellen aggressive Reinigungsmethoden mit hochalkalischen Reinigungsmitteln (pH > 10) und Sterilisationen bei Temperaturen über 134 °C eine neue Herausforderung für die Hersteller von Medizingeräten dar. Diese Methoden wurden nötig, um die Gefahr der Übertragung beispielsweise des Erregers der Creuzfeld-Jacob-Krankheit auszuschließen. Dieser Erreger zeigte sich deutlich resistenter gegen die bisherigen Reinigungs- und Desinfektionsverfahren. Die aggressiven Reinigungsverfahren führen aber häufig zu einer verstärkten Korrosion oder zum Verblassen der Laserbeschriftungen.
Die wichtigsten Fragen, die sich den Herstellern hierzu stellen, sind:
- Wie erbringe ich den Nachweis, dass das Instrument korrosionsfest ist?
- Wie stelle ich den Korrosionsschutz nach der Laserbeschriftung wieder so her, dass die Laserbeschriftung weiterhin lesbar ist?
- Wie kann die Lesbarkeit der Laserbeschriftung objektiv beurteilt werden?
Antworten auf diese Fragen wurden in einem Firmenverbundprojekt am Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut an der Universität Tübingen (NMI) in Kooperation mit Medizingeräteherstellern, einem Laserspezialisten, Reinigungsmittelherstellern und dem Universitätsklinikum Tübingen gefunden.
Untersucht wurden zwei verschiedene Stahlsorten mit unterschiedlicher Vorbehandlung (Abb. 1), da in einem früheren Verbundprojekt bereits gezeigt werden konnte, dass die Vorbehandlung einen großen Einfluss auf den Erfolg der nachfolgenden Passivierung hat. Bei der Lasermarkierung wurden zwei verschiedene Markierverfahren mit 146 verschiedenen Parametern untersucht: die Anlassbeschriftung und die Lasergravur.
Abb. 1: Testplatte (1.4031 Stahl, elektropoliert, Laser-beschriftet, passiviert)
Bei der Anlassbeschriftung wird die Oberfläche durch den Laser lokal erwärmt. Dadurch entstehen Oxidschichten, die vom menschlichen Auge als Anlassfarben erkannt werden. Da die Oberfläche hier kaum verändert wird, wird dieses Verfahren in der Medizintechnik bevorzugt.
Anders bei der Lasergravur: Hier wird vom Laserstrahl Material an der Oberfläche abgetragen (Abb. 2). Das erhöht den Kontrast, die Beschriftungen sind besser lesbar, aber die Passivierungsschicht, welche das Gerät vor Korrosion schützt, wird teilweise zerstört.
Abb. 2: REM-Aufnahme einer unbeschrifteten und gravierten Edelstahloberfläche: unbeschriftete, gebürstete Oberfläche (links) und Gravur auf gebürstetem Edelstahl
Die Passivierungsschicht muss also nach der Gravur wieder aufgebaut werden. Dazu wurden im Projekt unterschiedliche Verfahren untersucht. Anschließend wurde sowohl die Korrosionsbeständigkeit als auch die Lesbarkeit der Lasermarkierung bestimmt.
Die Korrosionsbeständigkeit wurde mit Photoelektronenspektroskopie (XPS) und Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Die Korrosionsbeständigkeit hängt von der Beschaffenheit und Zusammensetzung der Passivierungsschicht ab. Die Rasterelektronenspektroskopie zeigt die Beschaffenheit der Oberfläche. Daraus kann die Frage beantwortet werden, ob die Passivierungsschicht unversehrt und gleichmäßig ist.
Mit der Photoelektronenspektroskopie wird die Anreicherung von Chrom an der Oberfläche bestimmt. Die Korrosionsbeständigkeit des Edelstahls beruht auf der Ausbildung einer Passivierungsschicht, in der eine Chromanreicherung stattfindet (Abb. 3).
Abb. 3: Analyse der Beschaffenheit und Zusammensetzung der Passivierungsschicht
Damit stehen zur Beurteilung der Korrosionsbeständigkeit objektive Verfahren zur Verfügung. Die Beurteilung der Lesbarkeit muss dagegen mit anderen Methoden vorgenommen werden. Die Beurteilung durch das menschliche Auge kann hier sehr subjektiv sein. Was für den einen noch gut lesbar ist, ist für den anderen bereits komplett unlesbar. Mit der Auswertung des Weber Kontrasts, einem physiologischem Kontrast, der die menschliche Wahrnehmung berücksichtigt, wurde ein Verfahren gefunden, mit dem objektiv der Kontrast bestimmt werden kann. Somit stehen nun alle notwendigen Werkzeuge zur Optimierung von Passivierungsprozessen und Laserparametern zur Verfügung.
Im Projekt konnte ein optimaler Laserparametersatz gefunden werden, der kombiniert mit einem passenden Passivierungsverfahren dafür sorgt, dass die Lasermarkierung auch noch nach vielen Aufbereitungszyklen gut sichtbar ist.
NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen
Markwiesenstraße 55, D-72770 Reutlingen
- www.nmi.de
DOI: 10.7395/2013/Martin1
