Lasermarkierung von Titan: Welche Markierung erfüllt die Anforderungen für Medizin und Luft- und Raumfahrt?

Ein Hüftschaft aus Titan kann genau an der Stelle brechen, an der seine Seriennummer per Laser eingraviert wurde. In einer veröffentlichten Studie mit 295 Schäften, deren Hals mit einer Lasergravur versehen war, brachen 5,4 % der Hälse; jeder Bruch war auf Materialermüdung zurückzuführen.

Das Lasermarkieren von Titan ist einfach. Die Schwierigkeit besteht darin, die richtige Markierung auszuwählen und sie an der richtigen Stelle zu platzieren.

Titan ist ein Standardmaterial im HeatSign-Musterlabor, und Käufer stellen immer wieder dieselben Fragen. Dieser Leitfaden behandelt die vier Markierungsarten, die Anforderungen von UDI und MIL-STD-130, die Markierungspunkte für tragende Teile, welche Markierungen die Nachbearbeitung überstehen und welche Maschine sich eignet.

Kennen Sie Ihren Markierungstyp? Finden Sie heraus, welche Maschine passt, oder senden Sie uns Ihre Zeichnung.

Welche Arten von Lasermarkierungen lassen sich auf Titan anbringen?

Es gibt vier Markierungen: eine schwarze Glühmarkierung, eine weiße Mattmarkierung, eine Farboxidmarkierung und eine Tiefengravur. Die ersten drei verändern nur eine dünne Oberflächenschicht. Bei der Tiefengravur wird Material abgetragen, daher sollte sie nicht auf tragenden Bereichen angewendet werden.

Durch Tempern (Erhitzen der Oberfläche bis zum Farbumschlag) entsteht auf Titan ein klarer Oxidfilm. Die Sandia National Laboratories berichten, dass die Dicke des Films mit sinkender Scangeschwindigkeit zunimmt. Veröffentlichte Messungen ergaben eine Dicke des laserabgeschiedenen Oxids auf Titan von etwa 10–120 nm, deutlich dünner als ein menschliches Haar (ca. 70 µm). Die Farbe entsteht durch die Lichtreflexion innerhalb dieses Films.

Auf derselben HeatSign-Maschine wird für die schwarze Markierung eine niedrigere Geschwindigkeit, höhere Leistung und höhere Frequenz verwendet, wodurch die Oberfläche oxidiert. Die weiße Markierung hingegen wird mit höherer Geschwindigkeit, niedrigerer Leistung und niedrigerer Frequenz erzeugt, wodurch die Oberfläche lediglich mattiert wird. In unserem Testvideo schnitt ein Faserlaser in etwa 30 Sekunden eine 0,2–0,3 mm tiefe Nummer in Titan.

Wie sich das Glühen vom Ätzen und Gravieren anderer Metalle unterscheidet, erfahren Sie in unserem Leitfaden „Lasergravur vs. Laserätzung“.

Welche Maschine eignet sich am besten für die Titanbearbeitung?

Für schwarze, weiße und farbige Markierungen eignet sich ein MOPA-Faserlaser (mit einstellbarer Pulslänge). Dank seines Pulsbereichs von 2–350 ns lässt sich die Wärme auf dünnen oder polierten Teilen präzise steuern. Für tiefe Gravuren ist ein 30–50-W-Faserlaser geeignet. HeatSign MOPA-Maschinen kosten etwa 2.500–6.500 US-Dollar.

MOPA-Faserlaser, 30/60/100 W · 2.500–6.500 $Schwarz- und Farbglühen, Weißmattierung und feine Data-Matrix-Codes auf Instrumenten und Implantaten.Siehe MOPA-Lasergravierer → Desktop-Faserlaser, 20–60 W · 1.950–5.000 $Tiefengravur und Seriennummern auf Titanbefestigungen, Rohrböden und Halterungen.Siehe Desktop-Faserlaser → Pneumatischer Punktmarkierer · 1.500–2.800 $Tiefe, kostengünstige Markierungen auf schweren, unkritischen Titanteilen.Siehe Punktmarkierer →

Ein Punktmarkierer (ein Hartmetallstift, der Punktreihen erzeugt) ist schnell und günstig, aber jeder Punkt ist eine kleine Delle. Verwenden Sie ihn an Flanschen und Halterungen, nicht an ermüdungsgefährdeten Stellen. Ein UV-Laser ist hauptsächlich für die oberste Schicht von eloxiertem oder beschichtetem Titan sinnvoll.

Informationen zu Maschineneinstellungen und Feldgrößen je nach Bauteil finden Sie auf unserer über Titan-Lasermarkierungsmaschinen .

Welche Anforderungen stellt die UDI an chirurgische Instrumente und Implantate aus Titan?

Wird ein Medizinprodukt mehrfach verwendet und vor jeder Anwendung aufbereitet, schreibt die FDA-Regel 21 CFR 801.45 eine dauerhafte UDI-Kennzeichnung auf dem Produkt selbst vor. Diese kann aus Klartext, einem maschinenlesbaren Barcode oder beidem bestehen. Implantate unterliegen eigenen Spezifikationen und der Norm ASTM F86.

UDI steht für Unique Device Identification (Eindeutige Geräteidentifikation): die Kennung, die einem Krankenhaus genau mitteilt, welches Gerät und welche Charge es vorrätig hat. Die meisten Hersteller von Titaninstrumenten verwenden einen schwarzen, geglühten Data-Matrix-Code (einen kleinen quadratischen Barcode) plus eine Klartextzeile. Die Regelung findet sich in 21 CFR 801.45.

Für die verschiedenen Titansorten gelten Implantatnormen: ASTM F67 für unlegiertes Titan und ASTM F136 für Ti-6Al-4V ELI (die Sorte mit geringem Verunreinigungsgrad der gängigen Legierung). Informationen zu UDI-Layouts und Symbolgrößen finden Sie in unserem UDI-Leitfaden für die Kennzeichnung von Medizinprodukten.

Titan-Instrumente für die UDI-Norm kennzeichnen? Senden Sie uns ein Musterinstrument, und wir kennzeichnen und klassifizieren es.

Welche Anforderungen stellen die Spezifikationen der Luft- und Raumfahrt- sowie der Verteidigungsindustrie an Titanbauteile?

MIL-STD-130 fordert einen Data-Matrix-ECC-200-Code mit Zellen von 0,19–0,635 mm und einer maximalen Größe von 25,4 mm (1 Zoll). Er muss eine verifizierte Qualitätsstufe erfüllen, z. B. ISO/IEC TR 29158 DPM Grad 2.0 oder die AS9132-Regeln. Der Konstrukteur legt die Position fest.

MIL-STD-130 listet auch Markierungsverfahren auf. Die Laserverfärbung wird als Verfahren beschrieben, das „ohne Materialabtrag“ funktioniert. Die Laserätzung ist „im Allgemeinen auf eine maximale Tiefe von 0,001 Zoll“ (0,025 mm) begrenzt. Daher werden die meisten Data-Matrix-Codes auf Titan für die Luft- und Raumfahrt durch Glühen und nicht durch Gravur aufgebracht.

Informationen zu Nadel-, Laser- und elektrochemischer Markierung gemäß Luft- und Raumfahrtstandard finden Sie in unserem AS9132-Konformitätsleitfaden. Wie Prüfstellen einen Data-Matrix-Code bewerten, erfahren Sie unter „Lesbar vs. Verifizierbar“.

Benötigen Sie eine Klassifizierung Ihres Titan-Data-Matrix-Codes? Senden Sie uns die Zeichnung und die Spezifikationen, die Sie erfüllen müssen.

Wo sollte die Markierung auf einem tragenden Titanbauteil angebracht werden?

Platzieren Sie die Markierung in einem Bereich mit geringer Belastung, fernab von Gewindeeinschnitten, Gewindegrundkanten und Biegeradien. Verwenden Sie bei tragenden Teilen eine Markierung, die kein Material abträgt. In einem Test mit Ti-6Al-4V erreichte ein lasermarkiertes Teil 99.745 Lastzyklen, ein unmarkiertes hingegen nur 315.789.

Ermüdung bezeichnet Risse, die sich nach vielen Lastwechseln ausbreiten, selbst unterhalb der Nennfestigkeit des Bauteils. Eine eingravierte Nut oder ein verfestigter Punkt stellt eine Kerbe dar: eine kleine Einkerbung, an der Risse bevorzugt entstehen.

Die Lösung ist günstig: Versetzen Sie die Markierung. Bitten Sie den Designinhaber um eine spannungsarme Unterlage oder eine ebene Fläche und markieren Sie dort mit schwarzem Glühlack.

Welche Titanmarkierungen überstehen Passivierung, Autoklavierung und Sandstrahlen?

Tiefgravuren überstehen das Sandstrahlen. Schwarze, geglühte Markierungen sind die übliche Wahl für UDI-Kennzeichnungen, jedoch sind die öffentlich zugänglichen Daten zu Titanmarkierungen nach dem Autoklavieren spärlich. Farbmarkierungen verblassen zuerst. Testen Sie daher Ihr eigenes Bauteil: Markieren Sie es, führen Sie Ihre üblichen Reinigungs- und Sterilisationsschritte durch und bewerten Sie anschließend den Data-Matrix-Code erneut.

Die einzige uns bekannte Sterilisationsrate bezieht sich auf Edelstahl, nicht auf Titan. Eine Studie eines Laserherstellers ergab, dass kontrastreiche UDI-Codes mindestens 500 Sterilisations- und Reinigungszyklen überstehen. Auch die Korrosionsergebnisse für Titan sind widersprüchlich: Eine Studie zeigte eine geringere Korrosionsbeständigkeit nach der Laserbehandlung, eine andere eine höhere Stabilität der markierten Oberfläche.

Gemäß den Richtlinien der CDC bedeutet Dampfsterilisation üblicherweise 121 °C (250 °F) für 30 Minuten oder 132 °C (270 °F) für 4 Minuten .

Sie möchten sich selbst ein Bild machen? Senden Sie HeatSign ein Musterteil und Ihre Nachbearbeitungsschritte.

Welche weiteren Fragen haben Käufer zum Thema Lasermarkierung von Titan?

Sie sind sich nicht sicher, welche Markierung Ihr Titanteil benötigt?

Die beiden häufigsten Fehler sind: das tiefe Eingravieren einer Seriennummer auf dem Vorbauhals oder Gewindegrund sowie die Verwendung einer Farbmarkierung als einziges UDI (Unique Identification Number). Beides mag zunächst in Ordnung erscheinen, führt aber später zu Problemen.

Senden Sie HeatSign Ihre Zeichnung, die Materialgüte und Ihre Nachbearbeitungsschritte. Wir markieren Muster auf der entsprechenden Maschine und bestimmen den Data-Matrix-Code, bevor Sie kaufen.