Steigende Nachfrage nach 3D-Markierungen

Der Markt für Lasermarkierung zeichnet sich durch einen erhöhten Bedarf an der Markierung oder Strukturierung unebener Oberflächen aus, wie beispielsweise gekrümmte, geneigte und stufenförmige Oberflächen sowie freiformige Objekte und vertiefte Oberflächen. Herkömmliche Laserbeschriftungsgeräte und integrierte Maschinen sind leider auf ein ebenes Sichtfeld beschränkt, das durch Drehen und Bewegen des Werkstücks während der Markierung an einfache schräge Ebenen oder zylindrische Oberflächen angepasst werden kann. Die einzige Möglichkeit, komplexer geformte Oberflächen zu bearbeiten, bestand jedoch bisher darin, auf kostspielige und komplizierte programmierbare Robotik oder aufwendige 5-Achsen-Maschinen zurückzugreifen.

Nun hat Coherent jedoch eine automatisierte „intelligente“ Lösung namens SmartMap 3D entwickelt, die neue Hardware und Software kombiniert, nämlich die bewährte Methode der schnellen variablen Fokussierung und neues 3D-Maschinensichtverfahren, und das alles unter der Kontrolle einer leistungsstarken Markierungssoftware (Visual Laser Marker). Diese benutzerfreundliche Kombination vereinfacht nicht nur den gesamten Prozess, sondern spart auch Kosten und Zeit für die Implementierung präziser Befestigungen, Spannvorrichtungen oder Positionierungen. (Die Software unterstützt auch einfachere Markierungsanwendungen, einschließlich der Markierung im laufenden Betrieb.) In diesem Artikel beschreiben wir die wichtigsten Merkmale und Vorteile dieses kosteneffizienten Ansatzes für die 3D-Markierung, der sowohl in Form von Markierungssubsystemen als auch als Komplettmaschinen erhältlich ist. Da SmartMap 3D zudem lasertypunabhängig ist, kann es zur Herstellung aller Arten von Lasermarkierungen (z. B. Farbwechsel, Gravur), präziser Oberflächenbearbeitungen wie Aufrauen und Strukturieren sowie sogar für die neueste schwarze Markierung von Produkten aus Edelstahl und Aluminium mittels ultrakurzer Pulslaser (USP) – siehe Abbildung 1. Es ist ab sofort mit allen Coherent-Lasermarkierern und kompletten Markiermaschinen erhältlich.

Lasermarkierung – Vielseitigkeit und weitere Vorteile

Die Lasermarkierung ist ein weit verbreitetes, universell einsetzbares Verfahren in vielen Industriezweigen, das für die Erzeugung dauerhafter, kontrastreicher Markierungen auf praktisch jedem Materialtyp optimiert werden kann. Die Markierungen können zur Identifizierung und Rückverfolgung von Produkten, zum Schutz vor Fälschungen oder für funktionale Zwecke (z. B. Hilfsmarkierungen) verwendet werden. Zunehmend steigt auch die Nachfrage nach ästhetischen Markierungen wie Markenlogos (z. B. auf Tablet-Computern) und insbesondere nach dekorativen Markierungen und ungewöhnlichen Texturen bei Automobilteilen wie Verkleidungselementen, Armaturenbretter und zugehörige Tasten, Schalthebel sowie Details an den Rückleuchten.

Die genauen Anforderungen an die jeweilige Kennzeichnung variieren je nach Anwendung stark, doch in den meisten Fällen möchten Hersteller eine dauerhafte Markierung erzeugen, die sich oft nur schwer absichtlich verändern oder fälschen lässt. Dadurch ist der Laserdruck dem Tintenstrahl- oder Tampondruck weit überlegen. Bei vielen Anwendungen im Lebensmittel- und Getränkebereich sowie bei bestimmten Medizinprodukten und pharmazeutischen Erzeugnissen kann die Kennzeichnung zudem mit Material in Kontakt kommen, das verzehrt oder direkt in den Körper des Patienten eingebracht werden soll. Dies schließt wiederum die herkömmliche Tintenstrahlkennzeichnung aus. Eine weitere gängige Anforderung ist, dass der Markierungsprozess keine nachteiligen Auswirkungen auf das umgebende (unmarkierte) Material und die darunterliegenden Schichten hat und dass nur eine minimale oder gar keine Nachbehandlung (z. B. Reinigung) erforderlich ist. Durch die Anpassung von Leistung, Wellenlänge und Impulsbreite des Lasers an die Absorptions- und Wärmeeigenschaften der Zielmaterialien ist diese räumliche Selektivität bei der Lasermarkierung relativ einfach zu erreichen, selbst bei hochauflösenden Markierungen.

Lasermarkierungen lassen sich im Allgemeinen danach klassifizieren, ob es sich um die Entfernung von Oberflächenmaterial (Gravur) durch Laserablation oder um eine Farbveränderung des Materials handelt. Die Materialabtragung kann eine einfache Gravur sein oder die selektive Entfernung einer Beschichtung oder Farbschicht umfassen. Die Farbveränderung kann ein einfacher Vorgang sein, wie beispielsweise die lokale Verkohlung von Lebensmittelkartons mittels eines Infrarotlasers, oder eine Farbveränderung wie die Verdunkelung weißer Kunststoffe, beispielsweise von mit Titandioxid imprägniertem ABS, das in Küchengeräten verwendet wird, mittels eines UV-Lasers, oder sie kann die Farbveränderung eines Kunststoffzusatzstoffs mittels eines sichtbaren oder UV-Lasers umfassen, oder das Aufschäumen, das zur Erzeugung weißer Spuren auf farbigen Polymeren verwendet wird, und in jüngster Zeit kann sie in Form einer „schwarzen Markierung“ bestimmter Metalloberflächen mittels USP-Lasern erfolgen – siehe Abbildung 1. Coherent stellt alle diese Laser in einem breiten Leistungsspektrum her und kann in den Anwendungslabors des Unternehmens jede neue Markierungsaufgabe umfassend bewerten und optimieren. Coherent kann dann Lösungen in Form eines eigenständigen Lasers, eines Subsystems für die Lasermarkierung oder einer kompletten Maschine mit Positionierungs- und automatischen Sortierfunktionen liefern. Alle Lasersysteme und integrierten Maschinen bieten zudem nun die Option „SmartMap 3D“ für eine einfache 3D-Markierung, wie im Folgenden beschrieben.

Überwindung der Einschränkungen herkömmlicher Systeme und Subsysteme

Mit Ausnahme der Markierung mittels Maske unter Verwendung hochenergetischer Impulse von Excimer-Lasern basiert der Großteil der Lasermarkierung darauf, den fokussierten Laserstrahl über die zu markierende Oberfläche zu scannen, manchmal in Kombination mit einer kontinuierlichen oder schrittweisen Bewegung des zu markierenden Teils (Teile). Die drei wichtigsten optischen Komponenten zur Umsetzung dieses Prozesses sind der Laser, zwei Galvanometerspiegel für die orthogonale Abtastung des Strahls in x- und y-Richtung sowie eine Strahlführungslinse, die den Punkt im richtigen Abstand z, d. h. auf die Arbeitsfläche, fokussiert – siehe Abbildung 2 (a). Die Strahlübertragungslinse ist in der Regel als f-Theta-Linse ausgeführt. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen sphärischen Fokussierlinse, die eine gekrümmte Brennebene aufweist, ist die f-Theta-Linse so konfiguriert, dass sie eine ebene Brennebene erzeugt, sodass die Fokustiefe des Laserstrahls unabhängig von der Position quer zur Linse und somit auch quer zur Markierungsfläche ist. Dies eignet sich hervorragend für ebene Oberflächen, die senkrecht zur Richtung des Laserstrahls stehen, doch die geringe Schärfentiefe bedeutet, dass sie für die 3D-Markierung ungeeignet ist, bei der sich der Abstand von der Fokussierlinse zu den Zieloberflächen erheblich ändert.

Bei der Markierung von 3D-Oberflächen mit Robotersystemen bewegen sich die mitgelieferte Optik und manchmal auch das gesamte Lasersubsystem relativ zur Arbeitsfläche, die ebenfalls robotergesteuert verschoben werden kann. Dies ist umständlich, kostspielig und erfordert eine komplexe Programmierung; zudem kann es zu Problemen kommen, die erforderliche Genauigkeit für komplexe Grafiken und winzige Zeichen zu erreichen. SmartMap 3D bietet nun eine alternative Lösung, die wesentlich einfacher, schneller und wirtschaftlicher ist, da durch den Einsatz eines in der Optik integrierten Schnellfokussiermoduls weder das optische System noch das Werkstück bewegt werden müssen – siehe Abbildung 2 (b). Dies ermöglicht eine schnelle Einstellung der Brennweite. Je nach den spezifischen Eigenschaften des Lasers und des Abtastsystems lässt sich ein Gesamtbereich von bis zu ± 130 mm von der Nennbrennweite erreichen. Die Kombination dieses Scans mit dem XY-Scan, der durch zwei Galvanometer gewährleistet wird, bietet die Möglichkeit, den fokussierten Laser an eine beliebige XYZ-Position innerhalb des Zielvolumens zu platzieren, ohne dass sich die Größe oder Form des Punktes ändert.

(a) Eine typische 2D-Markierungskonfiguration kann Inhalte auf einer ebenen Fläche erzeugen. (b) Im SmartMap 3D-System ermöglicht der Einsatz des Fokusverschiebungsmoduls (FFM) die Erzeugung maßstabsgetreuer Markierungen über den Zielbereich hinweg.

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

Ein weiteres Schlüsselelement für die einfache 3D-Markierung ist die benutzerfreundliche Softwareoption im Visual Laser Marker (VLM)-System, die automatisch die Kombination aus Fokussiermodul und Bewegungen des Galvanometerspiegels ermittelt, die zur Erzeugung einer Markierung auf einem bestimmten Werkstück erforderlich sind. Basierend auf mehr als 40 Jahren Erfahrung mit Lasermarkierungsanwendungen bei Coherent definiert diese Software die Oberflächen des Werkstücks und speichert sie anschließend für jeden Auftragstyp. Der Benutzer ordnet die Markierung dann mithilfe der intuitiven Bedienung der grafischen Benutzeroberfläche der Oberfläche zu. Die Details der Markierung können mithilfe einer von zwei gängigen Arten der 3D-Oberflächenabbildung erzeugt und gespeichert werden. Die intuitivste Methode ist die sogenannte Projektionsabbildung, bei der die Markierung als eine Reihe von Punkten definiert wird, die sich alle auf Vektoren relativ zu einem festen Blickpunkt befinden. (Diese Methode ist am intuitivsten, da sie der Erzeugung eines Markers mittels eines festen Eingangslasers entspricht.) Für regelmäßige Körper wie Kugeln, Kegel und Würfel kann VLM ein UV-Mapping erstellen. Hier wird das Logo als eine Reihe von 2D-Oberflächensegmenten (Flächensegmenten) mithilfe der orthogonalen Koordinaten u und v definiert. Dies ermöglicht die Verwendung bestehender Markierungsdateien wie PDF- und DXF-Dokumente und unterstützt flexible Inhalte wie QR-Codes, Barcodes und zugehörige Markierungen. Verschiedene Algorithmen bilden diese Segmente auf die tatsächlichen xyz-Koordinaten der Werkstückoberfläche ab. Bei Werkstücken mit komplexen Formen oder Grafiken, die um die Teile herum gewickelt sind, ziehen anspruchsvollere Anwender möglicherweise den Import von Daten aus ihrer bevorzugten CAD-Software und die anschließende Bearbeitung in VLM vor – viele kommerzielle CAD-Plattformen bieten dieses Exportformat an. Die 3D-Anzeigeoptionen in VLM bieten zudem eine absolut präzise Vorschau darauf, wie das Teil nach der Markierung aussehen wird, und helfen dabei, Zeichnungen zu positionieren, den Schnittwinkel in Pseudofarben zu visualisieren und sogar die Bewegung der Maschinenachsen einzustellen – all dies direkt im Vorschaufenster.

Der dritte Bestandteil des SmartMap 3D-Systems ist die Hardware – eine Zeilenkamera für die industrielle Bildverarbeitung, die jedes Teil vor der Markierung scannt. Diese ist in zwei verschiedenen Wellenlängen erhältlich, um sich an die Reflektivität und Farbe praktisch jedes markierbaren Materials anzupassen. Durch die Integration dieser Bildverarbeitungskomponente kann die Software für die intelligente Markierung die Form und Ausrichtung der Teile vor der Markierung ermitteln, also ein dreidimensionales Punktwolkenmodell. Diese Ergebnisse werden anschließend mit den gespeicherten CAD-Modelldateien für das jeweilige Teil verglichen. Der Übereinstimmungsgrad wird als prozentualer Wert ausgedrückt. Die grafische Benutzeroberfläche kann den Übereinstimmungsgrad optional in einer Falschfarbenüberlagerung des Kamerabildes (der Kamerabilder) anzeigen. Der Vorgang kann so automatisiert werden, dass die Maschine den Werkstück markiert, sobald die Gesamtübereinstimmung einen Mindestwert überschreitet. Dieser minimal akzeptable Wert ist einer von mehreren Parametern, die der Benutzer in der gespeicherten Routine für jeden Aufgabentyp festlegt. Alternativ kann der Bediener anhand der Vorschau in der grafischen Benutzeroberfläche und des Wertes entscheiden, ob er mit der Markierung beginnt oder die Position/Neigung des Werkstücks anpasst, um eine bessere Übereinstimmung zu erzielen. Die Punktwolke kann auch in eine 3D-Oberfläche umgewandelt und direkt im VLM verwendet werden, falls kein CAD-Modell für den Abgleichschritt verfügbar ist. Es handelt sich somit um ein ideales Werkzeug für Losgröße 1 oder für Kunden in Betrieben, die keine teure Präzisionsspannung benötigen.

Das intelligente System ist in der Lage, sich an unterschiedliche Werkstückpositionen anzupassen, ohne dass der Laser oder das Werkstück verschoben werden muss, da es mehrere wichtige Parameter berücksichtigt, darunter Projektionsverzerrung, des Schnittwinkels, des Scheitelwinkels und der Ausrichtung der 3D-Oberfläche.

Projektionsverzerrung: Da der Laserstrahl während des gesamten Prozesses von einem festen Punkt ausgeht, muss das Scansystem auch geometrische Verzerrungen korrigieren, die andernfalls während des Markierungsprozesses entstehen würden – siehe Abbildung 4. Diese Art der Verzerrungskorrektur wurde in der Vergangenheit häufig bei der Bearbeitung relativ einfacher Formen wie schräger ebener Flächen und Zylindern eingesetzt. Bei beliebigen, frei geformten 3D-Formen ist dies jedoch wesentlich schwieriger. Die modernisierte VLM-Software beseitigt dieses Problem nun, indem sie alle diese Korrekturen automatisch durchführt. Abbildung 5 veranschaulicht die Wirksamkeit dieser Software.

Schnittwinkel: Bei der herkömmlichen 2D-Markierung ist der Laserstrahl so ausgerichtet, dass er stets nahezu senkrecht (±10°) zur Oberfläche des Werkstücks verläuft, d. h. nahe am „normalen Einfall“. Bei der 3D-Markierung kann der Laser jedoch unter Winkeln markieren, die erheblich vom normalen Einfall abweichen. Der maximal verwendbare Winkel wird durch die Absorption und Reflektivität der Werkstückoberfläche bestimmt und als Schnittwinkel bezeichnet. Dieser kann vom Bediener für jeden Auftrag separat ausgewählt werden, sodass mit demselben Lasermarkiergerät oder derselben Markiermaschine verschiedene Materialien markiert werden können.

Eine Projektionsverzerrung tritt auf, wenn eine „gerade“ Linie bei einem von der Normalen abweichenden Einfallswinkel auf eine gekrümmte Oberfläche markiert wird.

Spitzenwinkel: Dieser Winkel definiert die Grenzen des Markierungsvolumens in den xy-Achsen. Es handelt sich im Wesentlichen um das Sichtfeld der Markierungsoptik in Verbindung mit der Brennweite des f-Theta-Objektivs. Das VLM speichert diese Informationen für jede Maschine oder jedes Subsystem, in dem es installiert ist. Jeder Versuch des Bedieners, außerhalb dieser physikalischen Grenze zu markieren, wird automatisch als Fehler zurückgewiesen.

Bei Verwendung des 3D-Markiersystems SmartMap von Coherent wird ein CAD-Modell des Bauteils in die Software importiert, und der Benutzer platziert die gewünschten Markierungen auf dem/den Bauteil(en). Die Endergebnisse zeigen, dass eine Verzerrungskorrektur erforderlich ist, um die korrekte Geometrie der Markierung auf dem Werkstück zu erreichen.

Fazit

Die Lasermarkierung bietet einzigartige Vorteile bei der Erzeugung von Zahlen, Symbolen, Logos und anderen Grafiken auf praktisch jeder Art von Material. Bislang war der Großteil der Lasermarkierung auf ebene Oberflächen oder einfache Formen beschränkt. Das Markieren auf Freiformen war für viele potenzielle Anwendungen zu komplex und kostspielig. Das hat sich nun grundlegend geändert; die Einführung des intelligenten 3D-Markiersystems SmartMap 3D sorgt für einfache Bedienung per Knopfdruck und Automatisierung und erschließt damit das volle Potenzial der Lasermarkierung für Branchen wie die Automobilindustrie, die Unterhaltungselektronik, Haushaltsgeräte und viele andere.