Jednoduché značení 3D povrchů

Rostoucí poptávka po 3D značení

Trh s laserovým značením se vyznačuje zvýšenou potřebou značit nebo strukturovat nerovné povrchy, jako jsou zakřivené, nakloněné a stupňovité povrchy, stejně jako objekty volného tvaru a zapuštěné povrchy. Tradiční laserové popisovače a integrované stroje jsou bohužel omezeny na rovinné rovinné zorné pole, které lze přizpůsobit pro jednoduché nakloněné roviny nebo válcové povrchy otáčením a pohybem dílu během značení. Jediným způsobem, jak přizpůsobit složitější tvarované povrchy, však bylo uchýlit se k nákladné a složité programovatelné robotice nebo složitým pětiosým strojům.

Nyní však bylo společností Coherent vyvinuto automatizované "chytré" řešení nazvané SmartMap 3D, které kombinuje nový hardware a software, konkrétně osvědčenou metodu rychlého proměnného zaostřování a nové 3D strojové vidění, to vše pod kontrolou výkonného značicího softwaru (Visual Laser Marker). Tato snadno použitelná kombinace nejen zjednodušuje celý proces, ale také eliminuje náklady a čas na implementaci přesného upevnění, upnutí nebo umístění. (Software podporuje i jednodušší aplikace značení včetně značení za chodu.) V tomto článku popisujeme hlavní vlastnosti a výhody tohoto nákladově efektivního přístupu k 3D značení, který je k dispozici jak ve formě značicích subsystémů, tak i kompletních strojů. Protože je navíc nezávislý na typu laseru, lze SmartMap 3D použít k výrobě všech různých typů laserových značek (např. změna barvy, gravírování), přesných povrchových úprav, jako je zdrsňování a strukturování, a dokonce i k nejnovějšímu černému značení výrobků z nerezové oceli a hliníku pomocí ultrakrátkých pulzních (USP) laserů - viz obrázek 1. Nyní je k dispozici se všemi laserovými značkovači Coherent a kompletními značkovacími stroji.

Laserové značení – všestrannost a další výhody

Laserové značení je široce používaný univerzální proces v mnoha průmyslových odvětvích, který lze optimalizovat pro vytváření trvalých vysoce kontrastních značek prakticky na jakémkoli typu materiálu. Značky lze použít k identifikaci a sledování výrobků, k ochraně proti padělání značky nebo k funkčním účelům (např. pomocné značky). Rychle roste také poptávka po výrobě estetických značek, jako jsou loga značek (např. počítačové tablety), a zejména po dekorativních značkách a neobvyklých texturách v automobilových dílech, jako jsou součásti obložení, palubní desky a související tlačítka, řadicí páky a detaily zadních světel.

Přesné požadavky na konkrétní značení se u různých aplikací velmi liší, ale ve většině případů chtějí výrobci vyrobit trvalou značku, kterou je často obtížné úmyslně změnit nebo padělat. Díky tomu je laser mnohem lepší než inkoustový nebo tamponový tisk. U mnoha aplikací v oblasti potravin a nápojů a u některých zdravotnických prostředků a farmaceutických výrobků může navíc značka přijít do styku s materiálem, který má být požit nebo umístěn přímo v těle pacienta. To opět vylučuje staromódní značení inkoustem. Dalším běžným požadavkem je, aby proces značení neměl nepříznivý vliv na okolní (neoznačený) materiál a podkladové vrstvy a aby bylo nutné minimální nebo žádné následné zpracování (např. čištění). Díky přizpůsobení výkonu, vlnové délky a šířky impulsu laseru absorpčním a tepelným vlastnostem cílových materiálů je tato prostorová selektivita u laserového značení relativně jednoduchá, a to i u značek s vysokým rozlišením.

Laserové značky lze obecně klasifikovat podle toho, zda se jedná o odstranění povrchového materiálu (gravírování) laserovou ablací, nebo o změnu barvy materiálu. Odstranění materiálu může být prosté gravírování nebo může zahrnovat selektivní odstranění povlaku nebo vrstvy barvy. Změna barvy může být jednoduchý proces, jako je lokální zuhelnatění potravinových kartonů pomocí infračerveného laseru, nebo změna barvy, jako je ztmavnutí bílých plastů, jako je ABS impregnovaný oxidem titaničitým používaný v kuchyňských spotřebičích, pomocí ultrafialového laseru, nebo může zahrnovat změnu barvy plastové přísady pomocí viditelného nebo ultrafialového laseru, nebo pěnění používané k vytvoření bílých stop na barevných polymerech, a v poslední době může mít podobu "černého značení" některých kovových povrchů pomocí USP laserů - viz obrázek 1. Společnost Coherent vyrábí všechny tyto lasery v širokém rozsahu výkonů a v aplikačních laboratořích společnosti může plně vyhodnotit a optimalizovat jakoukoli novou úlohu značení. Společnost Coherent pak může dodat řešení v podobě samostatného laseru, subsystému pro laserové značení nebo kompletního stroje s funkcemi polohování a automatického třídění. Všechny laserové systémy a integrované stroje navíc nyní nabízejí možnost SmartMap 3D pro jednoduché 3D značení, jak je popsáno níže.

Překonání omezení tradičních systémů a subsystémů

S výjimkou značení pomocí masky s využitím vysokoenergetických pulzů z excimerových laserů je většina laserového značení založena na skenování zaostřeného laserového bodu přes značený povrch, někdy v kombinaci s plynulým nebo krokovým pohybem značeného dílu (dílů). Třemi hlavními optickými součástmi pro realizaci tohoto procesu jsou laser, dvě galvanometrická zrcadla pro ortogonální skenování paprsku ve směrech xy a čočka pro přenos paprsku, která zaostřuje bod ve správné vzdálenosti z, tj. na pracovní povrch - viz obrázek 2 (a). Čočka pro přenos paprsku je obvykle v provedení f-theta. Na rozdíl od konvenční sférické zaostřovací čočky, která má zakřivenou ohniskovou rovinu, je f-theta čočka konfigurována tak, aby vytvořila plochou ohniskovou rovinu, takže hloubka ohniska laserového paprsku je nezávislá na poloze napříč čočkou, a tedy i napříč značkovacím povrchem. To se skvěle hodí pro rovné povrchy, které jsou kolmé na směr laserového paprsku, ale malá hloubka ostrosti znamená, že se nehodí pro 3D značení, kde se vzdálenost z od zaostřovací čočky k cílovým povrchům výrazně mění.

Pro značení 3D povrchů pomocí robotických systémů se dodávaná optika a někdy i celý laserový subsystém pohybují vzhledem k pracovnímu povrchu, který může být také roboticky přemístěn. To je těžkopádné, nákladné a vyžaduje to složité programování a může to mít problémy s dosažením požadované přesnosti pro složitou grafiku a miniaturní znaky. SmartMap 3D nyní nabízí alternativní řešení, které je mnohem jednodušší, rychlejší a ekonomičtější, protože díky použití modulu rychlého zaostřování umístěného v optice nevyžaduje pohyb optického systému ani dílu - viz obrázek 2 (b). To umožňuje rychlé nastavení ohniskové vzdálenosti. V závislosti na konkrétních vlastnostech laseru a snímacího systému lze dosáhnout celkového rozsahu až ± 130 mm od jmenovité ohniskové vzdálenosti. Kombinace tohoto z skenování s xy skenováním, které zajišťují dva galvanometry, poskytuje možnost umístit zaostřený laser na libovolné místo xyz uvnitř cílového objemu, aniž by se změnila velikost nebo tvar bodu.

SmartMap 3D - kombinace hardwaru, softwaru a 3D strojového vidění

Dalším klíčovým prvkem pro jednoduché 3D značení je uživatelsky přívětivá softwarová volba v systému Visual Laser Marker (VLM), která automaticky určuje kombinaci zaostřovacího modulu a pohybů galvanometrického zrcadla potřebných k vytvoření značky na konkrétním obrobku. Na základě více než 40 let zkušeností s aplikacemi laserového značení ve společnosti Coherent tento software definuje povrchy obrobku a následně je ukládá pro každý typ úlohy. Uživatel pak mapuje značku na povrch pomocí intuitivního ovládání grafického uživatelského rozhraní. Detaily značky lze generovat a ukládat pomocí jednoho ze dvou běžně používaných typů 3D mapování povrchu. Nejintuitivnější metoda se nazývá projekční mapování, kdy je značka definována jako řada bodů, které jsou všechny na vektorech vzhledem k pevnému bodu pohledu. (Tato metoda je nejintuitivnější, protože odpovídá vytvoření značky pomocí pevného vstupního laseru). Pro pravidelná tělesa, jako jsou koule, kužely a krychle, může VLM vytvářet uv mapování. Zde je značka definována na sérii 2D (plochých) povrchových segmentů pomocí ortogonálních souřadnic u a v. To umožňuje použití stávajících souborů značek, jako jsou dokumenty pdf a dxf, a podporuje flexibilní obsah, jako jsou QR kódy, čárové kódy a související značky. Různé algoritmy mapují tyto segmenty na skutečné souřadnice xyz povrchu obrobku. V případě složitých tvarových obrobků nebo grafiky, která je ovinuta kolem dílů, mohou náročnější uživatelé upřednostnit import dat ze svého preferovaného softwaru CAD a následnou úpravu ve VLM - mnoho komerčních platforem CAD tento formát exportu nabízí. Možnosti 3D zobrazení ve VLM také poskytují zcela přesný náhled toho, jak bude díl po označení vypadat, a pomáhají umístit výkresy, vizualizovat úhel ořezu v nepravých barvách a dokonce nastavit pohyb os stroje - to vše z okna náhledu.

Třetí součástí systému SmartMap 3D je hardware - liniová kamera strojového vidění, která skenuje každý díl před označením. Ta je k dispozici ve dvou různých vlnových délkách, aby se přizpůsobila odrazivosti a barvě prakticky jakéhokoli označitelného materiálu. Integrace této součásti vidění umožňuje softwaru pro inteligentní značení zjistit tvar a orientaci dílů před značením, tedy trojrozměrné mračno bodů. Tyto výsledky se pak porovnávají s uloženými soubory modelu CAD pro daný díl. Míra shody je vyjádřena skóre v procentech. Grafické uživatelské rozhraní může volitelně zobrazit míru shody ve falešném barevném překrytí snímku (snímků) z kamery. Provoz může být automatizován tak, že pokud celková shoda překročí minimální skóre, stroj označí úlohu. Toto minimální přijatelné skóre je jedním z několika parametrů, které uživatel zvolí v uložené rutině pro každý typ úlohy. Případně může obsluha na základě náhledu grafického uživatelského rozhraní a skóre rozhodnout, zda zahájí označování nebo upraví polohu/sklon obrobku, aby dosáhla lepší shody. Mračno bodů lze také převést na 3D povrch a přímo použít ve VLM v případě, že není k dispozici model CAD pro krok porovnání. Jedná se tedy o ideální nástroj pro šarže velikosti 1 nebo pro zákazníky v obchodech bez požadavku na drahé přesné upínání.

Inteligentní systém je schopen přizpůsobit se různým umístěním obrobku, aniž by bylo nutné přemisťovat laser nebo obrobek, protože bere v úvahu několik důležitých parametrů, včetně zkreslení projekce, úhlu oříznutí, vrcholového úhlu a orientace 3D povrchu.

Projekční zkreslení: protože laserový paprsek vychází během celého procesu z pevného bodu, musí proto skenovací systém korigovat také geometrická zkreslení, která by jinak vznikla během procesu značení - viz obrázek 4. Tento typ korekce zkreslení byl v minulosti hojně využíván při práci s relativně jednoduchými tvary, jako jsou šikmé rovné plochy a válce. U libovolných, volně tvarovaných 3D tvarů je to však podstatně obtížnější. Modernizovaný software VLM nyní tento problém odstraňuje tím, že všechny tyto korekce provádí automaticky. Obrázek 5 ilustruje účinnost tohoto softwaru.

Úhel oříznutí: konvenční 2D značení je konfigurováno tak, že laserový paprsek je vždy zarovnán téměř kolmo (±10°) k povrchu obrobku, tj. blízko "normálnímu dopadu". Při 3D značení však může laser značit pod úhly, které se výrazně liší od normálního dopadu. Maximální úhel, který lze použít, je určen absorpcí a odrazivostí povrchu obrobku a nazývá se úhel oříznutí. Ten může operátor zvolit pro každou úlohu zvlášť, aby bylo možné stejným laserovým značicím zařízením nebo značicím strojem značit různé materiály.

Vrcholový úhel: tento úhel definuje hranice objemu značení v osách xy. Je to v podstatě zorné pole značicí optiky spolu s ohniskovou vzdáleností objektivu f-theta. VLM ukládá tyto informace pro každý stroj nebo podsystém, ve kterém je nainstalován. Automaticky odmítne jako chybu každý pokus obsluhy o značení za touto fyzikální hranicí.

Závěr

Laserové značení nabízí jedinečné výhody při vytváření čísel, symbolů, log a další grafiky prakticky na jakémkoli typu materiálu. Doposud byla většina laserového značení omezena na rovné povrchy nebo jednoduché tvary. Značení na volných tvarech bylo pro mnoho potenciálních aplikací příliš složité a nákladné. To se nyní zcela změnilo; příchod inteligentního 3D značicího systému SmartMap 3D přináší tlačítkovou jednoduchost a automatizaci, čímž odemyká plný potenciál laserového značení pro odvětví, jako je automobilový průmysl, spotřební elektronika, spotřebiče a mnoho dalších.