Laserbeschriften. Flexibel, effizient und universell. Hochauflösende und verzerrungsfreie Strahlführung

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1 Flexibel, effizient und universell Hochauflösende und verzerrungsfreie Strahlführung Faserlaser, Nd:YAG Scheibenlaser und CO2-Laser mit unterschiedlichen Leistungen Kundenspezifische Ausführungen PRODUKTIONSSYSTEME

2 Prinzip Laserbeschriften ist ein thermischer Prozess, bei dem ein energiereicher Strahl fokussierten Laserlichtes genutzt wird, um die Oberfläche oder das Innere eines transparenten Materials zu verändern. Hierzu muß der Werkstoff das Laserlicht mit einer bestimmten Wellenlänge absorbieren und dadurch sein Aussehen ändern können. Vom praktischen Standpunkt aus gesehen ist ein Laser eine Strahlungsquelle, die einen eng gebündelten Lichtstrahl aussendet. Dieses Laserlicht ist durch eine für den jeweiligen Lasertyp charakteristische Wellenlänge und eine hohe Leistungsdichte gekennzeichnet. Gerade beim Beschriften ist die hohe Leistungsdichte bei kleinem Brennfleck von gro ßer Bedeutung. Grundsätzlich kann unterschieden werden zwischen der Direktbeschriftung eines Werkstoffs und Beschriftung einer Beschriftungsträgers (Etikette). Aus Kostengründen wird häufig die Direktbeschriftung bevorzugt. Die technologischen Anforderungen an den Beschriftungsprozess sind hier aber wesentlich höher als bei Beschriftungsträgern, die für eine Laserbeschriftung ausgelegt wurden. Verfahren Beschriftungsverfahren: Abtragen von Werkstoff Beschriftungsverfahren: Umwandeln von Werkstoff Grundmaterial (reflektierend) Deckschicht (absorbierend) Umgewandelter Werkstoff (Farbe) Grundmaterial (absorbierend) Beschichtete Materialien können dadurch beschriftet werden, dass die oberste Schicht mit dem Laser abgetragen wird. Beim Abtragen der Deckschicht bei beschichteten (z.b. Eloxal- Schichten) oder lackierten Metallen tritt der Laserstrahl nicht mit dem Grundmaterial in Wechselwirkung, sondern vor allem mit der Deckschicht. Er wird vom Grundwerkstoff reflektiert. Mehrschichtige Kunststoffe können durch Abtragen einer dünnen Deckschicht beschriftet werden. Ein typisches Beispiel für das Abtragen einer Lackierung ist das Tag-/Nacht-Design bei Bedienelementen. Metalle, Keramiken und einige Kunststoffe können mit dem Laser graviert werden. Dabei ist die Leistungsdichte des Laserstrahls so hoch, dass das Material während der Bearbeitung innerhalb weniger Nanosekunden teilweise verdampft. Im Werkstoff entsteht eine Vertiefung - die Gravur. Häufig verändert sich durch den Materialabtrag aber auch Farbe und Struktur der Oberfläche, die die Gravur besser sichtbar machen. Aufgrund seines Strahlprofils dringt der Laserstrahl konusförmig in die Materialoberfläche ein. Im Randbereich des fokussierten Strahls entstehen Schmelzprozesse, die einen Teil des Materials zu unerwünschten Auswürfen und Spritzern erstarren lassen. Art und Größe des Randaufwurfes sind abhängig vom Material, der Pulsleistung und insbesondere von der Strahlgröße (Fokusdurchmesser) sowie der Leistungsverteilung im Laserstrahl. 2

3 Laserapplikationen Laserbeschriftungssysteme bestehen aus vier wesentlichen Komponenten: Laserquelle Strahlablenkungssystem (Laserscanner mit F-Theta-Linse) Steuerung mit Bediensoftware Maschinentechnik Galvanometerantrieb 2 Spiegel 2 F-Theta-Linse Galvanometerantrieb 1 Spiegel 1 Laserquelle 2-D- LaserScanner F-Theta- Objektiv Werkstück Werkstück Im Strahlablenksystem wird der Laserstrahl mit zwei programmierbaren Drehspiegel mit Galvanometerantrieb zu beliebigen Positionen in der Bearbeitungsebene bewegt. Die Drehspiegel haben hohe Drehgeschwindigkeiten und Drehbeschleunigungen, so dass der Laserstrahl sehr schnell bewegt werden kann und damit beliebige Beschriftungen auf dem Werkstück erzeugt werden können. 3

4 Lasertypen Für das Laserbeschriften haben sich heute drei Lasertypen durchgesetzt: Faserlaser (Wellenlänge von 1064 nm) Nd-YAG Laser (Wellenlänge von 1064 nm) CO²-Laser (Wellenlänge von nm). Den größeren Anwendungsbereich haben Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm. Bei dieser Wellenlänge können auch Metalle beschriftet werden. Faserlaser Moderne Faserlaser sind besonders gut für Beschriftungsaufgaben geeignet. Seine Vorteile sind: langlebig hohe Strahlqualität geringer Wartungsaufwand Scheibenlaser Nd-YAG Laser, die meist durch Laserdioden gepumpt werden, sind häufig als Stablaser anzutreffen. In Wolf-Beschriftungssystemen werden moderne, diodengepumpte Scheibenlaser verwendet. Damit sind noch höhere Strahlqualitäten möglich. CO²-Laser Nicht für Metalle geeignet sind CO²-Laser. Der geringere Preis und der weit geringere Wartungsaufwand macht diesen Lasertyp dennoch interessant für das Beschriften von Kunststoffen, welche die Laserleistung bei einer Wellenlänge von nm Laserleistung voll absorbieren. Dies gilt sogar für das dem menschlichen Auge transparente erscheinende Acryl-Glas. In Wolf-Beschriftungssystemen werden CO²-Laser des Markführers Synrad eingesetzt. Ytterbium pulsed Faserlaser Nd-YAG Scheibenlaser (Jenoptik) CO²-Laser (Synrad) 4

5 Laserbeschriften Anwendung Beschriften von Schildern. Auch das Beschriften von gelben Oberflächen ist möglich. Beschriften von Aluminium durch Abtragen des Decklacks. Beschriften von Leiterplatten durch Abtragen des Lötstoplacks. Beschriften von Kunststoff durch Abtragen des Decklacks ( Tag -/Nacht- Design ). 5

6 Anwendung Beschriften von Metallen durch die Erzeugung von Anlassfarben. Beschriften von Aluminium Druckguss durch Abtragen der Eloxalschicht. Beschriften von Leiterplatten durch Freilegen der Leiterbahnen. Beschriften von Kunststoff durch Carbonisieren. 6

7 Laserbearbeiten Produktionsmodule Baugrößen Alle Laserbeschriftungsmaschinen werden auf Basis der Automatisierungsplattform Skyline erstellt. Entsprechend den spezifischen Anforderungen werden Produktionsmodule ausgebaut. Das Maschinengestell der Produktionsmodule wird in Aluminium Profilbauweise erstellt. Durch eine Vielzahl von Verstrebungen und intelligente Profiltechnik ist die Zelle sehr steif und staplerfähig. Die stabile Tischplatte ist ausbaubar, so dass spätere Umrüstungen möglich sind, ohne dass die komplette Maschine demontiert werden muss. Mit Skyline sind Produktionsmodule in vier verschiedenen Baugrößen mit unterschiedlichen Maschinenbreiten möglich (siehe Bild). Die Breitenmaße sind: 750, 1000, 1400 und 1800 mm. Die Tiefe kann in Schritten von 200 mm gewählt werden. Werkstückzuführung Laserbeschriftungsmaschinen können als vollautomatische Maschinen in In-Line- Ausführung oder als Handarbeitsplatz aufgebaut werden. Das manuelle Beladen kann über einen Rundschalttisch oder Schiebeschlitten erfolgen (siehe Bild). Die Zellen entsprechen Laserschutzklasse 1. Die In-Line-Zelle ist deshalb mit einer Doppelschleuse ausgestattet, so dass die Werkstückträger unabhängig vom Takt der Schweißstation ein- und ausfahren können. Alle Schutztüren sind mit Sicherheitsschalter versehen. In-line Ausführung Handarbeitsplatz mit Rundschalttisch Handarbeitsplatz mit Schiebeschlitten 7

8 Basismaschine Basismaschine Die Basismaschine baut auf den im Programm vorhandenen Produktionsmodulen auf. Das am häufigsten ausgeführte Produktionsmodul PM 100 hat eine Breite von 1000 mm. Die Farbe der pulverbeschichteten Lackoberflächen wird Folgende Eigenschaften gelten für alle Wolf Laserbeschriftungsmaschinen: Laserschutz Klasse 1 Stabiler Aufbau mit ansprechendem Design Staplerfähig Hochwertiger Laserscanner mit Standard Beschriftungssoftware (SAM light) Programmierbare Brennweite für Beschriftungen im Raum (Option) Überwachung wesentlicher Prozessparameter Komfortable Bedienoberfläche mit 17 Monitor, Folientastatur und Trackball Frei programmierbare, präzise Verfahrachsen für große Arbeitsräume (Option) Frei programmierbare Drehachse für Beschriftungen an rotationssymmetrischen Werkstücken 8

9 Steuerung Steuerung Wolf Laserbeschriftungsmaschinen sind mit Siemens S7 speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) ausgerüstet. Der Laserscanner wird mit einem Industrie-PC angesteuert. Die Steuerungsarchitektur (siehe Bild) erlaubt die Integration in unterschiedlichste Umgebungen. Es können damit gegebenfalls zusätzliche automatische Funktionen angesteuert werden. Die wesentlichen Steuerungskomponenten kommunizieren über Ethernet oder Profi-Bus miteinander. Die Steuerung ist dadurch leicht erweiterbar. Ethernet Touch- Bildschirm E/A-Ebene Digitale und analoge I/O Sensoren / Aktoren Profi-Bus 1 USV Industrie-PC RTC4 Laserscanner SPS, S7-3xx Servo- Ansteuerung (OMRON) Servomotor ASM Schreib-/ Lesekopf FESTO CPV Ventilinsel Die Bedienung erfolgt über einen Touch-TFT-Bildschirm. Die Bedienerführung ist intuitif und leicht erlernbar. 9

10 Technische Daten Produktionsmodul Gewicht Stromversorgung Druckluftversorgung Laser 600 Kg (+/- je nach Ausführung) 3x230/400 V, 16 A 6 bar Ytterbium Faserlaser Leistung 2 W Wellenlänge 1064 nm Hersteller IPG Photonics Typ YLP-1/100/20 Pulsenergie > 1,0 mj Strahlqualität M² 1,6 Kühlung Luft Standzeit > h Scheibenlaser Laserleistung CW 8 W Wellenlänge 1064 nm Hersteller Jenoptik Typ Smaragd Pulsenergie > 0,6 mj bei 5 Khz Strahlqualität M² 3,5 Kühlung Wasser Steuerung Industrie PC Mainboard Kontron KI 965 / ATX Prozessor Intel Core 2 Duo E 6400 (2,13 GHz) RAM 1 GB Festplatte 2 x 60 GB, 2,5 gespiegelt RAID 1 Speicherprogrammierbare Steuerung Typ S7 Serie 300 Verfahrachsen Typ Antrieb Ansteuerung Führungen Wolf Skyiline Servomotor mit Encoder (OMRON) Kugelumlaufspindel Xtra Drive (OMRON) THK Pneumatik Ventilinsel FESTO CPV 10 Wartungseinheit mit Druckwächter, CO² Laser Laserleistung CW 10 W Wellenlänge nm Hersteller Synrad Typ 48 series Strahlqualität M² 1,5 Kühlung Luft Laserscanner Apertur Hersteller Arbeitsabstand Brennweite Arbeitsbereich mm Programmiersoftware 10 (14) mm Scanlab 187, 242, 296 mm 163, 200, 254 mm 70 x70, 100x100, 110x110 SAM light (SCAPS) 10

11 Prozessentwicklung Bei Wolf stehen hierfür alle notwendigen Versuchsmaschinen zur Verfügung. Damit können Vorversuche zur Klärung der Machbarkeit genauso durchgeführt werden wie Vorserienfertigung und in Einzelfällen sogar Lohnfertigung. Auch alle notwendigen Mess- und Prüfmittel, wie auch Analysegerätes sind vorhanden. Beschriftungsversuche werden in einem Versuchsbericht dokumentiert und sind Basis des Pflichtenheftes einer kundenspezifischen Maschine. Wolf Produktionssysteme GmbH Robert-Bürkle-Strasse 6, Freudenstadt Tel , Fax PRODUKTIONSSYSTEME wolf-produktionssysteme.de Version