Eine einfache automatisierte Lösung für die Laserbeschriftung geformter Oberflächen

Doch jetzt hat Coherent eine automatisierte, intelligente Lösung namens SmartMap 3D entwickelt, die neuartige Hard- und Software kombiniert, insbesondere eine bewährte, schnelle variable Fokusmethode und eine neuartige 3D-Bildverarbeitung, alles unter der Steuerung einer leistungsstarken Beschriftungssoftware (Visual Laser Marker). Diese einfach zu bedienende Kombination vereinfacht nicht nur den gesamten Prozess, sondern erspart auch die Kosten und den Zeitaufwand für die Implementierung von Präzisionsvorrichtungen, Einspannsystemen oder Positionierhilfen. (Die Software unterstützt auch einfachere Anwendung zur Beschriftung, einschließlich spontanes Beschriften.) In diesem Artikel beschreiben wir die wichtigsten Funktionen und Vorteile dieses kosteneffizienten Ansatzes für die 3D-Beschriftung, der sowohl für Sub-Systeme als auch für komplette Maschinen erhältlich ist. Da SmartMap 3D unabhängig vom Lasertyp ist, kann es für alle Arten von Laserbeschriftung (z. B. Farbwechsel, Gravieren), Präzisionsoberflächenbehandlungen wie Aufrauen und Strukturieren und sogar für das neueste Black Marking von Edelstahl- und Aluminiumprodukten mit Ultrakurzpulslasern (USP) verwendet werden – siehe Abbildung 1. Es ist jetzt mit allen Coherent Laserbeschriftern und Beschriftungsmaschinen erhältlich.

Laserbeschriftung – Vielseitigkeit und weitere Vorteile

Die Laserbeschriftung ist ein in vielen Branchen weit verbreitetes, vielseitiges Verfahren, das optimiert werden kann, um dauerhafte, kontrastreiche Beschriftungen auf praktisch jedem Materialtyp zu erstellen. Die Beschriftungen können zur Identifizierung und Nachverfolgung von Produkten, zum Schutz vor Markenfälschungen oder für funktionale Zwecke (z. B. Referenzmarken) verwendet werden. Es besteht auch eine schnell wachsende Nachfrage nach ästhetischen Markierungen wie Markenlogos (z.B. Tablet-PCs) und insbesondere nach dekorativen Markierungen und ungewöhnlichen Texturen bei Autoteilen wie Verkleidungsteilen, Armaturenbrettern und den dazugehörigen Bedienelementen, Schaltknüppeln und Rückleuchten.

Die genauen Anforderungen an eine bestimmte Beschriftungsaufgabe sind je nach Anwendung sehr unterschiedlich, aber in den meisten Fällen wollen die Hersteller eine dauerhafte Beschriftung herstellen, die nur schwer absichtlich verändert oder gefälscht werden kann. Damit ist der Laser dem Tintenstrahl- oder Stempeldruck weit überlegen. Darüber hinaus kann die Markierung bei vielen Lebensmittel- und Getränkeanwendungen und bei einigen medizinischen Instrumenten und pharmazeutischen Produkten mit Material in Kontakt kommen, das eingenommen oder direkt in den Körper des Patienten eingebracht werden soll. Auch dies schließt eine altmodische Tintenbeschriftung aus. Eine weitere häufige Anforderung besteht darin, dass der Beschriftungsvorgang das umgebende (nicht beschriftete) Material und die darunter liegenden Schichten nicht nachteilig beeinflusst und dass nur eine minimale oder gar keine Nachbearbeitung (z. B. Reinigung) erforderlich ist. Durch die Anpassung von Laserleistung, Wellenlänge und Pulsbreite an die Absorptions- und thermischen Eigenschaften der Zielmaterialien ist diese räumliche Selektivität bei der Laserbeschriftung auch bei hochauflösenden Beschriftungen relativ unproblematisch.

Laserbeschriftungen können im Allgemeinen danach unterschieden werden, ob es sich um die Abtragung von Oberflächenmaterial (Gravieren) durch Laserablation oder um eine Farbänderung des Materials handelt. Bei der Materialabtragung kann es sich um einfaches Gravieren handeln oder um die selektive Entfernung einer Beschichtung oder Lackschicht. Bei der Farbänderung kann es sich um einen einfachen Prozess handeln, wie z. B. das lokale Karbonisieren von Lebensmittelkartons mit einem Infrarotlaser, oder um eine Farbänderung, wie z. B. das Abdunkeln von weißen Kunststoffen, etwa mit Titandioxid imprägniertem ABS wie es in Küchengeräten verwendet wird, mit einem Ultraviolettlaser. Es kann sich aber auch um die Änderung der Farbe eines Plastikadditivs mit einem sichtbaren oder ultravioletten Laser handeln, oder um das Aufschäumen, das zur Erzeugung weißer Markierungen auf farbigen Polymeren verwendet wird. Und neuerdings auch um die „schwarze Beschriftung“ bestimmter Metalloberflächen mit USP-Lasern – siehe Abbildung 1. Coherent stellt all diese Laser in einem breiten Leistungsbereich her und kann jede neue Beschriftungsaufgabe in den Anwendungslaboren des Unternehmens umfassend bewerten und optimieren. Coherent kann dann eine Lösung in Form eines eigenständigen Lasers, eines Lasermarkierers oder einer kompletten Maschine mit Positionier- und automatischen Sortierfunktionen liefern. Darüber hinaus bieten alle Lasersysteme und integrierten Maschinen jetzt die SmartMap 3D-Option für eine einfache 3D-Beschriftung wie unten beschrieben.

Jenseits der Grenzen der traditionellen Systeme und Sub-Systeme

Mit Ausnahme der maskenbasierten Markierung mit hochenergetischen Excimer-Laserpulsen basieren die meisten Lasermarkierungen auf dem Scannen der zu markierenden Oberfläche durch einen fokussierten Laserstrahl, manchmal in Kombination mit einer kontinuierlichen oder schrittweisen Bewegung des zu markierenden Teils. Die drei wesentlichen optischen Komponenten für dieses Verfahren bestehen aus dem Laser, dem Galvanometerscanner mit zwei Spiegeln zur orthogonalen Strahlabtastung in xy-Richtung und der Linse zur Fokussierung des Laserstrahls im richtigen z-Abstand auf dem Werkstück – siehe Abbildung 2 (a). Bei der Strahlführungslinse handelt es sich normalerweise um eine F-Theta-Linse. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen sphärischen Fokussierlinse, die eine gekrümmte Fokusebene hat, ist die f-theta-Linse so konfiguriert, dass sie eine plane Fokusebene erzeugt. Damit ist die Fokusposition des Laserstrahls unabhängig von dessen Position innerhalb der Markierfläche Dies ist der bewährte Ansatz für 2D Oberflächen, die senkrecht zur Laserstrahlrichtung stehen. Aufgrund der geringen Schärfentiefe ist es jedoch nicht für 3D-Beschriftungen geeignet, bei denen der z-Abstand von der Fokussierlinse zu den Zielflächen stark variiert.

Bei der Beschriftung von 3D-Oberflächen mit Robotersystemen wird die Strahloptik und manchmal sogar das gesamte Laser-Sub-System relativ zur Arbeitsfläche bewegt, die ebenfalls robotergesteuert verfahren werden kann. Dies ist umständlich, teuer und erfordert eine komplexe Programmierung und kann die erforderliche Genauigkeit für komplexe Grafiken und miniaturisierte Zeichen nur schwer erreichen. SmartMap 3D bietet jetzt eine alternative Lösung, die viel einfacher, schneller und wirtschaftlicher ist, da weder das optische System noch das Teil bewegt werden muss, dank der Verwendung eines schnellen Fokusmoduls innerhalb der Optik – siehe Abbildung 2 (b). Dies ermöglicht eine schnelle Brennweiteneinstellung. Je nach Konfiguration des Laser- und Scan-Systems kann ein Gesamtbereich von bis zu ± 130 mm von der nominalen Brennweite abgedeckt werden. Die Kombination dieses z-Scans mit dem xy-Scan der beiden Galvanometerscanner ermöglicht es, den fokussierten Laser an jeder xyz-Position innerhalb eines Zielvolumens zu positionieren, ohne die Größe oder Form des Strahls zu verändern.

SmartMap 3D – Kombination aus Hardware, Software und 3D-Bildverarbeitung

Ein weiteres Schlüsselelement für die einfache 3D-Beschriftung ist eine benutzerfreundliche Softwareoption in Visual Laser Marker (VLM), die Fokusmodul und Galvanometerscanner automatisch aufeinander abstimmt, um die Markierung auf dem Werkstück zu erzeugen. Aufbauend auf über 40 Jahren Erfahrung mit Laserbeschriftungsanwendungen bei Coherent definiert diese Software die Oberflächen des Werkstücks und speichert diese dann für jeden Auftragstyp. Der Benutzer überträgt dann die Beschriftung über eine intuitive GUI-Steuerung auf die Oberfläche. Die Details der Beschriftung können mit einer der beiden gängigen Arten der 3D-Oberflächenkartierung erzeugt und gespeichert werden. Die intuitivste Methode ist das sogenannte Projektionsmapping, bei dem die Beschriftung als eine Reihe von Punkten definiert wird, die alle auf Vektoren relativ zu einem festen Betrachtungspunkt liegen. (Dies ist die intuitivste Variante, da sie der Erstellung der Beschriftung mit einem festen Eingabelaser entspricht). Für regelmäßige Festkörper wie Kugeln, Kegel und Würfel kann VLM uv-Kartierungen erstellen. Hier wird die Beschriftung auf einer Reihe von 2D (flachen) Oberflächensegmenten unter Verwendung orthogonaler Koordinaten u und v definiert. Dies ermöglicht die Verwendung vorhandener Beschriftungsdateien wie pdf- und dxf-Dokumente und unterstützt variable Inhalte wie QR-Codes, Barcodes und ähnliche Beschriftungen. Verschiedene Algorithmen bilden diese Segmente auf die realen xyz-Koordinaten der Werkstückoberfläche ab. Bei komplex geformten Werkstücken oder Grafiken, die um Bauteile herum angeordnet sind, werden es anspruchsvollere Anwender möglicherweise vorziehen, die Daten aus ihrer bevorzugten CAD-Software zu importieren und diese dann in VLM zu bearbeiten - viele kommerzielle CAD-Plattformen bieten dieses Exportformat an. Die 3D-Betrachtungsfunktion von VLM bietet eine vollständige, genaue Vorschau auf das Markierergebnis. Sie unterstützt beim Platzieren von Zeichnungen, visualisiert den Beschneidungswinkel in Falschfarben und erlaubt sogar die Einstellung der Maschinen-Zustellachsen - alles vom Vorschaufenster aus.

Der dritte Teil des SmartMap 3D-Systems ist die Hardware – eine 3D-Kamera für industrielle Bildverarbeitung, die jedes Teil vor der Beschriftung scannt. Diese ist in zwei verschiedenen Wellenlängen erhältlich, um das Reflexionsvermögen und die Farbe von praktisch jedem markierbaren Material zu berücksichtigen. Mit Hilfe dieser Bildverarbeitungskomponente erkennt die Markiersoftware die Form und Orientierung der Teile vor der Bearbeitung und bildet diese in einer dreidimensionalen Punktwolke ab. Diese Ergebnisse werden dann mit den gespeicherten CAD-Modelldateien für dieses bestimmte Teil verglichen. Der Grad der Übereinstimmung wird mit einer prozentualen Bewertung versehen. Die grafische Benutzeroberfläche kann optional den Grad der Übereinstimmung in einem Falschfarben-Overlay für eines oder mehrere Kamerabilder anzeigen. Bei automatischer Markierung wird eine Untergrenze für die Übereinstimmung definiert, ab der die Maschine den Auftrag markiert. Diese Grenze ist einer von mehreren Parametern, die der Benutzer in der gespeicherten Routine für jeden Auftragstyp auswählt. Alternativ kann der Bediener auf der Grundlage der GUI-Vorschau und der Bewertung entscheiden, ob er die Beschriftung starten oder die Position/Ausrichtung des Werkstücks anpassen möchte, um eine bessere Übereinstimmung zu erzielen. Die Punktwolke kann auch in eine 3D-Oberfläche umgewandelt und direkt in VLM verwendet werden, falls kein CAD-Modell für den Vergleichsschritt zur Verfügung steht. Genau diese Eigenschaften machen SmartMap 3D zu einem idealen Werkzeug für vielfältige Bauteilvarianten oder Losgröße eins, da keine teure Werkstückaufnahmen oder Spannvorrichtungen benötigt werden.

Das intelligente System ist in der Lage, verschiedene Platzierungen des Werkstücks zu kompensieren, ohne den Laser oder das Werkstück zu bewegen, da es mehrere wichtige Parameter wie Projektionsverzerrung, Beschneidungswinkel, Spitzenwinkel und 3D-Oberflächenausrichtung berücksichtigt.

Projektionsverzerrung: Da der Laserstrahl während des gesamten Prozesses von einem festen Punkt ausgeht, muss das Scansystem die daraus resultierende geometrische Verzerrung korrigieren, die andernfalls während des Beschriftungsvorgangs entstehen würden – siehe Abbildung 4. Diese Art der Verzerrungskorrektur wurde in der Vergangenheit häufig bei relativ einfachen Formen, wie z.B. schrägen ebenen Flächen und Zylindern, eingesetzt. Ihr Einsatz wird jedoch wesentlich schwieriger bei beliebigen, frei geformten 3D-Formen. Die aktualisierte VLM-Software beseitigt nun dieses Herausforderungen, da sie auch in diesen Fällen alle Korrekturen automatisch durchführt. Abbildung 5 veranschaulicht die Effektivität dieser Software.

Beschneidungswinkel: Bei der konventionellen 2D-Markierung bleibt der Laserstrahl immer nahe der Senkrechten (±10°C) zur Oberfläche des Werkstücks ausgerichtet, d.h. in der Nähe des "normalen Einfallswinkels". Bei der 3D-Markierung kann der Laser hingegen in Winkeln markieren, die erheblich vom normalen Einfallswinkel abweichen. Der maximal einsetzbare Winkel wird durch das Absorptions- und Reflexionsvermögen der Werkstückoberfläche bestimmt und als Beschneidungswinkel bezeichnet. Dieser kann vom Bediener für jedes Bauteil individuell gewählt werden, um mit dem gleichen Setup unterschiedliche Materialien zu markieren.

Apex-Winkel: Dieser definiert die Grenzen des Beschriftungsvolumens in den xy-Achsen. Es ist im Wesentlichen durch das Sichtfeld der Markieroptik und die Brennweite der F-Theta-Linse bestimmt. VLM speichert diese Informationen für jede Maschine oder jedes Sub-System, in dem es installiert ist. Jeder Versuch des Bedieners, über diese physikalische Grenze hinaus zu beschriften, wird automatisch als Fehler zurückgewiesen.