Eine einfache automatisierte Lösung für Laserbeschriften gewölbten Oberflächen

Nun hat Coherent jedoch eine automatisierte „intelligente“ Lösung namens SmartMap 3D entwickelt, Coherent neuartige Hardware und Software kombiniert – insbesondere ein bewährtes Verfahren zur schnellen Fokusverstellung und eine neuartige 3D-Bildverarbeitung –, die alle von einer leistungsstarken Markierungssoftware (Visual Laser Marker) gesteuert werden. Diese benutzerfreundliche Kombination vereinfacht nicht nur den gesamten Prozess, sondern eliminiert auch die Kosten und den Zeitaufwand für die Implementierung Präzision , Spannvorrichtungen oder Positionierungen. (Die Software unterstützt zudem einfachere Markieranwendungen, einschließlich On-the-Fly-Markierung.) In diesem Artikel beschreiben wir die wichtigsten Merkmale und Vorteile dieses kostengünstigen Ansatzes für die 3D-Markierung, der sowohl in Markier-Subsystemen als auch in Komplettmaschinen verfügbar ist. Da SmartMap 3D zudem lasertypunabhängig ist, kann es zur Erzeugung aller Arten von Lasermarkierungen (z. B. Farbwechsel, Gravur), Präzision wie Aufrauen und Strukturieren sowie sogar zur neuesten Schwarzmarkierung von Edelstahl- und Aluminiumprodukten mit Ultrakurzpulslasern (USP) eingesetzt werden – siehe Abbildung 1. Es ist ab sofort für alle Coherent und Komplettmarkiermaschinen erhältlich.

Laserbeschriften Vielseitigkeit und weitere Vorteile

Laserbeschriften ein vielseitiges Verfahren, das in vielen Branchen weit verbreitet ist und so optimiert werden kann, dass dauerhafte, kontrastreiche Markierungen auf nahezu jedem Materialtyp erzeugt werden können. Die Markierungen können zur Produktidentifizierung und -verfolgung, zum Schutz vor Fälschungen oder für funktionale Zwecke (z. B. Passmarken) verwendet werden. Zudem besteht eine schnell wachsende Nachfrage nach ästhetischen Markierungen wie Markenlogos (z. B. auf Tablet-Computern) und insbesondere nach dekorativen Markierungen und ungewöhnlichen Texturen auf Automobilteilen wie Verkleidungselementen, Armaturenbrettern und den dazugehörigen Tasten, Schalthebeln sowie Details an Rückleuchten.

Die genauen Anforderungen einer bestimmten Markierungsaufgabe variieren je nach Anwendungsbereich erheblich, doch in den meisten Fällen möchten Hersteller eine dauerhafte Markierung anbringen, die oft schwer absichtlich zu verändern oder zu fälschen ist. Dies macht den Laser dem Tintenstrahl- oder Tampondruck weit überlegen. Zudem kann die Markierung bei vielen Anwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie bei einigen Medizinprodukten und Pharmaprodukten mit Material in Kontakt kommen, das eingenommen oder direkt in den Körper des Patienten eingebracht wird. Auch dies schließt eine herkömmliche Tintenstrahlmarkierung aus. Eine weitere häufige Anforderung ist, dass der Markierungsprozess das umgebende (unmarkierte) Material und darunterliegende Schichten nicht beeinträchtigt und dass nur minimale oder gar keine Nachbearbeitung (z. B. Reinigung) erforderlich ist. Durch die Anpassung von Laserleistung, Wellenlänge und Pulsbreite an die Absorption thermischen Eigenschaften der Zielmaterialien ist diese räumliche Selektivität bei Laserbeschriften relativ einfach zu erreichen, selbst bei hochauflösenden Markierungen.

Lasermarkierungen lassen sich im Allgemeinen danach unterscheiden, ob dabei durch Laser-Ablation Material von der Oberfläche abgetragen wird (Gravur) oder ob eine Farbveränderung des Materials stattfindet. Der Materialabtrag kann eine einfache Gravur sein oder das selektive Entfernen einer Beschichtung oder einer Farbschicht umfassen. Die Farbveränderung kann ein einfacher Vorgang sein, wie die lokale Verkohlung von Lebensmittelkartons mittels eines Infrarotlasers, oder eine Farbveränderung wie die Verdunkelung von weißen Kunststoffen, beispielsweise mit Titandioxid imprägniertem ABS, das in Küchengeräten verwendet wird, mittels eines Ultraviolettlasers; sie kann auch die Veränderung der Farbe eines Kunststoffadditivs mit einem sichtbaren oder ultravioletten Laser beinhalten oder das Aufschäumen, um weiße Markierungen auf farbigen Polymeren zu erzeugen, und in jüngerer Zeit kann es in Form einer „schwarzen Markierung“ bestimmter Metalloberflächen unter Verwendung von USP-Lasern erfolgen – siehe Abbildung 1. Coherent all diese Laser in einem breiten Leistungsspektrum Coherent und kann jede neue Markierungsaufgabe in den Anwendungslabors des Unternehmens umfassend bewerten und optimieren. Coherent dann eine Lösung in Form eines eigenständigen Lasers, eines Laserbeschriften oder einer kompletten Maschine mit Positionierungs- und automatisierten Sortierfunktionen liefern. Darüber hinaus bieten alle Lasersysteme und integrierten Maschinen nun die Option SmartMap 3D für einfache 3D-Markierungen, wie im Folgenden beschrieben.

Über die Grenzen herkömmlicher Systeme und Teilsysteme hinaus

Mit der bemerkenswerten Ausnahme der maskenbasierten Markierung unter Verwendung hochenergetischer Impulse von Excimer-Lasern Laserbeschriften meist darauf, einen fokussierten Laserstrahl über die zu markierende Oberfläche zu scannen, manchmal in Kombination mit einer kontinuierlichen oder schrittweisen Bewegung des bzw. der zu markierenden Teile. Die drei wichtigsten optischen Komponenten zur Umsetzung dieses Verfahrens sind der Laser, die Galvanometer zwei Galvanometer Spiegel zur Durchführung einer orthogonalen Strahlabtastung in x- und y-Richtung sowie die Linse Fokussierung des Spots im richtigen z-Abstand, d. h. auf der Arbeitsfläche – siehe Abbildung 2 (a). Die Linse in der Regel als f-Theta-Linse ausgeführt. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen sphärischen Linse eine gekrümmte Brennebene aufweist, Linse die Linse so konfiguriert, dass sie eine ebene Brennebene erzeugt, sodass die Fokustiefe des Laserstrahl unabhängig von der Position über die Linse damit über die Markierungsfläche Laserstrahl . Dies funktioniert hervorragend bei flachen Oberflächen, die senkrecht zur Laserstrahl stehen, doch aufgrund der geringen Schärfentiefe ist sie nicht für die 3D-Markierung geeignet, bei der der z-Abstand von der Linse den Zieloberflächen erheblich variiert.

Um 3D-Oberflächen mit Robotersystemen zu markieren, werden die Abbildungsoptik und manchmal sogar das gesamte Lasersubsystem relativ zur Arbeitsfläche bewegt, die ebenfalls robotergesteuert bewegt werden kann. Dies ist aufwendig, teuer und erfordert eine komplexe Programmierung; zudem kann es schwierig sein, die für komplexe Grafiken und miniaturisierte Zeichen erforderliche Genauigkeit zu erreichen. SmartMap 3D bietet nun eine alternative Lösung, die weitaus einfacher, schneller und wirtschaftlicher ist, da dank der Verwendung eines in der Optik integrierten Schnellfokusmoduls weder das optische System noch das Werkstück bewegt werden müssen – siehe Abbildung 2 (b). Dies ermöglicht eine schnelle Anpassung der Brennweite. Je nach den Eigenschaften des Lasers und des Scansystems kann ein Gesamtbereich von bis zu ± 130 mm von der Nennbrennweite abgedeckt werden. Die Kombination dieses Z-Scans mit dem durch die beiden Galvanometer bereitgestellten XY-Scan ermöglicht es, den fokussierten Laser an jeder beliebigen XYZ-Position innerhalb eines Zielvolumens zu positionieren, ohne die Größe oder Form des Spots zu verändern.

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

Ein weiteres Schlüsselelement für die einfache 3D-Markierung ist eine benutzerfreundliche Softwareoption in Visual Laser Marker (VLM), die automatisch die Kombination aus Fokusmodul und Galvanometer ermittelt, die erforderlich ist, um die Markierung auf einem bestimmten Werkstück zu erzeugen. Basierend auf über 40 Jahren Erfahrung mit Laserbeschriften bei Coherent definiert diese Software die Oberflächen des Werkstücks und speichert diese dann für jeden Auftragstyp. Der Benutzer ordnet die Markierung dann über eine intuitive grafische Benutzeroberfläche der Oberfläche zu. Die Markierungsdetails können unter Verwendung einer von zwei gängigen Arten der 3D-Oberflächenabbildung generiert und gespeichert werden. Die intuitivste Methode ist das sogenannte Projektions-Mapping, bei dem die Markierung als eine Reihe von Punkten definiert wird, die alle auf Vektoren relativ zu einem festen Blickpunkt liegen. (Dies ist die intuitivste Methode, da sie der Erstellung der Markierung mit einem festen Eingangslaser entspricht.) Für regelmäßige Körper wie Kugeln, Kegel und Würfel kann VLM UV-Mappings erstellen. Hier wird die Markierung auf einer Reihe von 2D-Oberflächensegmenten (flachen Flächen) unter Verwendung 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 ähnliche Markierungen. Verschiedene Algorithmen ordnen diese Segmente den tatsächlichen xyz-Koordinaten der Werkstückoberfläche zu. Bei komplex geformten Werkstücken oder Grafiken, die um Teile gewickelt sind, ziehen es fortgeschrittene Anwender möglicherweise vor, 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-Anzeigefunktionen von VLM bieten zudem eine absolut genaue Vorschau darauf, wie das Teil nach der Markierung aussehen wird, und helfen dabei, Zeichnungen zu platzieren, den Schnittwinkel in Falschfarben zu visualisieren und sogar die Bewegung der Maschinenachsen einzustellen – alles über das Vorschaufenster.

Der dritte Bestandteil des SmartMap 3D-Systems ist die Hardware – eine Bildverarbeitungs-Zeilenkamera, die jedes Teil vor der Markierung scannt. Diese ist in zwei verschiedenen Wellenlängen erhältlich, um der Reflektivität und Farbe praktisch jedes markierbaren Materials gerecht zu werden. Durch die Integration dieser Bildverarbeitungskomponente kann die intelligente Markierungssoftware vor der Markierung die Form und Ausrichtung der Teile erfassen und so eine dreidimensionale Punktwolke erstellen. Diese Ergebnisse werden dann mit den gespeicherten CAD-Modelldateien für das jeweilige Teil abgeglichen. Der Grad der Übereinstimmung wird als Prozentsatz bewertet. Die Benutzeroberfläche kann optional den Grad der Übereinstimmung in einer Falschfarbenüberlagerung des/der Kamerabilder(s) anzeigen. Der Vorgang kann automatisiert werden, sodass die Maschine den Auftrag markiert, wenn die Gesamtübereinstimmung einen Mindestwert überschreitet. Dieser akzeptable Mindestwert ist einer von mehreren Parametern, die der Benutzer in der gespeicherten Routine für jeden Auftragstyp auswählt. Alternativ kann der Bediener anhand der GUI-Vorschau und der Bewertung entscheiden, ob er die Markierung 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 verfügbar ist. Dies ist daher ein ideales Werkzeug für Losgröße 1 oder Auftragsfertiger, die keine teuren Präzision benötigen.

Das intelligente System ist in der Lage, unterschiedliche Werkstückpositionen zu berücksichtigen, ohne den Laser oder das Werkstück zu verschieben, da es mehrere wichtige Parameter berücksichtigt, darunter Projektionsverzerrung, Abschneidewinkel, Scheitelwinkel und die 3D-Oberflächenausrichtung.

Projektionsverzerrung: Da der Laserstrahl während des gesamten Prozesses von einem festen Punkt Laserstrahl , muss das Scansystem auch die geometrischen Verzerrungen korrigieren, die andernfalls während des Markiervorgangs auftreten würden – siehe Abbildung 4. Diese Art der Verzerrungskorrektur wurde in der Vergangenheit häufig bei relativ einfachen Formen wie schrägen ebenen Flächen und Zylindern eingesetzt. Bei beliebigen, frei geformten 3D-Objekten wird dies jedoch erheblich schwieriger. Die aktualisierte VLM-Software beseitigt diese Herausforderung nun, indem sie all diese Korrekturen automatisch durchführt. Abbildung 5 veranschaulicht die Wirksamkeit dieser Software.

Abschneidewinkel: Bei der herkömmlichen 2D-Markierung ist der Laserstrahl so ausgerichtet, dass Laserstrahl stets nahezu senkrecht (±10°) auf die Oberfläche des Werkstücks Laserstrahl , d. h. nahe am „normalen Einfall“. Bei der 3D-Markierung kann der Laser jedoch in Winkeln markieren, die erheblich vom senkrechten Einfall abweichen. Der maximal mögliche Winkel wird durch die Absorption Reflektivität der Werkstückoberfläche bestimmt und als Schnittwinkel bezeichnet. Dieser kann vom Bediener für jeden Auftrag individuell ausgewählt werden, sodass derselbe Lasermarkierer oder dieselbe Markiermaschine verschiedene Materialien markieren kann.

Spitzenwinkel: Dieser definiert die Grenzen des Markierungsvolumens in der x- und y-Achse. Er entspricht im Wesentlichen dem Sichtfeld der Markierungsoptik in Verbindung mit der Brennweite der Linse. Das VLM speichert diese Informationen für jede Maschine oder jedes Teilsystem, in dem es installiert ist. Jeder Versuch des Bedieners, über diese physikalische Grenze hinaus zu markieren, wird automatisch als Fehler zurückgewiesen.