Kennzeichnung mit Nanosekunden-Lasersystemen

Beständig durch Mikrodefekte

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20.04.2020 Pharmazeutische Proben sind auf eindeutige Markierungen angewiesen, um Verwechslungen auszuschließen. Solche Markierungen müssen auch unter besonderen Umständen stabil und lesbar bleiben – mit Lasermarkierung ist dies möglich.

Entscheider-Facts

  • Markierungen von Probenröhrchen oder Objektträgern müssen zuverlässig und stablil bleiben, um Verwechslungen auszuschließen. Dabei müssen sie auch Laborbedingungen wie Lösungsmittel oder Gefrier- und Sterilisationsprozesse schadlos überstehen.
  • Lasermarkierungen sind in verbreiteten Labormaterialien wie Glas und verschiedenen Kunststoffen möglich. Damit lassen sich zum Beispiel Data-Matrix-Codes ohne zusätzliches Druckmedium anbringen.
  • Die so erstellten Markierungen können sich statt an der Oberfläche auch im Inneren des Materials befinden, wo sie unangreifbar für äußere Einflüsse sind und keine Angriffsfläche für Keime oder Verunreinigungen bieten.
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Der mittels Lasermarkierung erstellte Schriftzug im Glas bleibt leserlich, auch wenn er teilweise mit Flüssigkeit bedeckt ist. (Bilder: Medizinisches Laserzentrum Lübeck)

Die eindeutige Kennzeichnung von Proben ist ein wichtiges Thema, da die Auswirkungen von Probenverlusten erheblich sein können. In der Pharmabranche gibt es je nach Produkt gesetzliche Forderungen zur fälschungssicheren Anbringung von Sicherheitsmerkmalen auf Arzneimitteln, die sich aus den europäischen Richtlinien national ableiten. Darüber hinaus werden auch mehr und mehr Anforderungen an die Nachverfolgbarkeit der Produktion in einer automatisierten Prozesskette aus Entwicklung, Optimierung und Fertigung gestellt, bis hin zur lückenlosen Nachvollziehbarkeit eines Produktes mittels Product-Lifecycle-Management (PLM).

Sowohl die Pharmazie als auch die biomedizinische Forschung stellen hohe Anforderungen an Markierungen, beispielsweise Beständigkeit gegenüber Chemikalien und Gefrier- oder Sterilisationsvorgängen. In solchen Fällen kann das Anbringen von Etiketten problematisch sein. Lasermarkierungsverfahren sind hier eine attraktive Alternative, insbesondere, wenn dadurch auf Zusatzmaterial wie etwa beim Thermotransferdruck verzichtet werden kann.

Oberflächen- und Innenmarkierung

Aufgrund der hervorragenden Barriere-Eigenschaften ist oft Glas die erste Wahl von Pharmaherstellern, wenn sie Flüssigkeiten abfüllen. Auch im Laborbereich findet es häufig Einsatz, etwa bei Objektträgern. Mit Laserpulsen von wenigen Nanosekunden mit Wellenlängen im UV-A-Bereich (355 nm) ist es möglich, in transparenten Materialien wie Glas Mikrodefekte zu erzeugen. Im Gegensatz z.B. zu einer Bearbeitung mit IR-Wellenlängen (CO2-Laser) lassen sich durch Änderung der Fokusposition Markierungen auch im Inneren des Materials erzeugen, ohne die Oberfläche selbst zu verändern oder beeinflussen. Solche Innenmarkierungen sind resistent gegen äußere Einflüsse und auch lesbar, wenn sich wässrige Flüssigkeiten auf der Oberfläche befinden.

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Abb. 1.a: Oberflächenmarkierung auf Flachglas (Objektträger). b: DataMatrix-Code innenliegend im Glas. c: Mikrocode in Glas. Die Kantenlänge ist <200µm.

Mittels dieser Mikrodefekte ist bei geeigneter Wahl der Bearbeitungsparameter wie Objektiv, und Pulsenergie das Lasern von Markierungen im Mikro- bis Makromaßstab möglich: Abb. 1.a zeigt einen Data-Matrix-Code an der Oberfläche eines Objektträgers, der in Abb. 1.b gezeigte Code befindet sich im Inneren der Glasplatte. Die Bearbeitung erfolgte in diesem Fall mit einem 355nm-eMOPA der Firma Crylas, dessen Strahl über einen Galvoscanner und eine 4f-Optik in ein Bearbeitungsobjektiv gelenkt wurde. Der frequenzverdreifachte, diodengepumpte Nd:YAG-Laser mit passivem Q-switch liefert in Verbindung mit einem diodengepumpten optischen Verstärker eine Pulsenergie von >80 µJ bei einer Pulsdauer von etwa 1 ns und einer Pulswiederholrate von 2 kHz.

Beide Markierungsformen, Oberflächen- und Innenmarkierung, sind langlebig und beständig gegen die meisten Chemikalien. Die Innenmarkierung weist zusätzlich eine höhere Kratzbeständigkeit auf und es können sich keine Verunreinigungen an aufgerauten Stellen sammeln. Daher können oberflächenneutral markierte biologische oder medizinische Produkte mit gängigen Verfahren sterilisiert werden. In Abb. 1.c ist ein Code dargestellt, bei dem ein Codefeld jeweils durch nur einen Lasereffekt markiert ist – die Kantenlänge eines solchen Codes kann bei wenigen hundert Mikrometer liegen.

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Abb. 2: Zylinderförmige Glaskörper (Aussendurchmesser 8 mm) – auf der linken Seite wurde die Beschriftung (DataMatrix-Code, 8 x 32 Felder, Größe eines Feldes ~200 µm x 200 µm) an der Oberfläche aufgebracht, beim rechten befindet sich der Code im Glasinneren.

Flache oder runde Flächen

Auch auf gekrümmten Flächen können Markierungen aufgebracht werden. Abb. 2 zeigt zwei Glasröhrchen (Außendurchmesser 8 mm), bei denen ein Code auf der Oberfläche bzw. im Glasinnern gelasert wurde. Aufgrund der Krümmung ist eine ‚en bloc‘-Beschriftung der Oberfläche mittels Ablenkung des Laserstrahls über einen Scanner nur bei sehr exakter Positionierung der Oberfläche möglich. Einfacher lässt sich die Beschriftung eines solchen Glaskörpers über spaltenweises Schreiben mit Drehung des Glaskörpers realisieren. Die Innenmarkierung ist nur so möglich, da es hier andernfalls zusätzlich aufgrund von Brechung zu einer Fokusverschiebung im Glas kommt.

 

 

 

 

 

 

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Abb. 3.a: Lesesystem DMR220 der Firma IOSS. Mit diesem war eine Bewertung von Innen- und Oberflächenmarkierungen möglich:
b. Data-Matrix-Code, gelasert an der
Glasoberfläche.
c. Dieser Code befindet sich innerhalb des Glasvolumens.

Obwohl sich die Norm ISO/IEC TR29158, die zur Codebewertung herangezogen wird, an flachen, gedruckten Barcodes orientiert, war eine Verifizierung der Codes mit dem Lesesystem DMR220 der Firma IOSS (Intelligente optische Sensoren & Systeme) möglich – das Gesamtergebnis der Prüfung war nach genauem Ausrichten und Feineinstellung für beide Muster die Stufe 4 (A), also ein sehr gut (Abb. 3). Die Markierungen lassen sich auch mit einem Mobiltelefon mit geeigneter Kamera und entsprechender App auslesen.

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Abb. 4: Dieser 14 x 14-Code wurde durch Farbumschlag von TiO2-haltigem Siebdrucklack erzeugt.

Glas, Lack oder Kunststoff

Eine weitere Anwendung, die mit Nanosekunden-UV-Pulsen abgedeckt werden kann, ist das Beschriften von Siebdrucklack. Bei Überschreitung einer gewissen Schwellenintensität wird in titandioxidhaltigem Siebdrucklack ein Farbumschlag erzielt, so dass Codes auch für den Anwender gut sichtbar auf Lackfeldern erzeugt werden können (Abb. 4). Dieser Farbumschlag ist dauerhaft, nicht thermisch erzeugt und daher genauso beständig wie der unbearbeitete Lack.

Neben Glas können auch verschiedene transparente Kunststoffe wie Cycloolefin-Copolymere mit Markierungen versehen werden. Ist die Absorption eines Kunststoffes im UV-Bereich zu groß, können frequenzverdoppelte Mikrochiplaser (Wellenlänge 532nm) eingesetzt werden. Diese haben aufgrund der kurzen Resonatorlänge ein zeitlich glattes, reproduzierbares Pulsprofil. Mikrodefekte können damit mit möglichst geringem Energieeintrag erzeugt werden. Das ist besonders bei sehr dünnem Glas mit einer Stärke unter 200 µm wichtig, da die Effekte dann räumlich besonders eng begrenzt sein müssen.
Preisgünstige Nanosekunden-Lasersysteme erlauben die Umsetzung verschiedener Anforderungen. Flexible Materialbearbeitungsstationen, wie sie am Medizinischen Laserzentrum Lübeck (MLL) zur Verfügung stehen, ermöglichen nach einem ‚proof of concept‘ auch die Fertigung von Kleinserien, um Prozesse zu evaluieren und zu optimieren. Nach erfolgreichem Abschluss dieser Phase können individuelle, vergleichsweise kostengünstige Bearbeitungssysteme geplant und implementiert werden, die optimal auf die jeweilige Fertigungslinie angepasst sind.

 Optischer Durchbruch –
Wie funktioniert die Lasermarkierung?

Der Laserstrahl wird in oder auf das Glas so stark fokussiert, dass nichtlineare Absorption zu einer lokalen Energiedeponierung führt, die sich zu einem lawinenähnlichen Prozess verstärkt. Es kommt zum sogenannten „optischen Durchbruch“ mit Plasmabildung durch freie Elektronen. Thermomechanische Effekte führen zu einem schlagartigen Verdampfen von Materie, was zum Zerreißen und zur Zerstörung von Material führt – es bilden sich Mikrodefekte aus. Die Ausbreitung der Erwärmung ist lokal begrenzt.

 

Heftausgabe: Pharma + Food April 2020

Über den Autor

Norbert Koop, Leiter Materialbearbeitung, Medizinisches Laserzentrum Lübeck
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