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1 Technische Information Laserbeschriften

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3 Technische Information Laserbeschriften Ausgabe: 10/2006

4 Bestellinformationen Bitte geben Sie den Titel des Dokuments, die gewünschte Sprache und das Datum der Ausgabe an. TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG Technische Dokumentation Johann-Maus-Straße 2 D Ditzingen Fon: +49 (0) 71 56/ Fax: +49 (0) 71 56/ Internet: http// docu.501@de.trumpf.com TRUMPF Laser Marking Systems AG Ausserfeld CH-7214 Grüsch Fon: / Fax: / info.tlm@ch.trumpf.com Das Dokument wurde in der Technischen Dokumentation der Firma TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG verfasst. Alle Rechte an dieser Dokumentation, insbesondere das Recht der Vervielfältigung und Verbreitung sowie der Übersetzung liegen bei TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Kein Teil der Dokumentation darf in irgendeiner Form ohne vorherige schriftliche Zustimmung der Firma TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Irrtum und technische Änderungen vorbehalten. TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG haftet nicht für etwaige Fehler in dieser Dokumentation. Eine Haftung für mittelbare und unmittelbare Schäden, die im Zusammenhang mit der Lieferung oder dem Gebrauch dieser Dokumentation entstehen, ist ausgeschlossen, soweit dies gesetzlich zulässig ist.

5 Inhaltsverzeichnis 1. Warum Laserbeschriften? Prinzip Wodurch entsteht die Beschriftung? Verfahren Vektor-Beschriften Masken-Beschriften Raster-Beschriften Verfahren im Vergleich Vektor-Beschriften Masken-Beschriften Raster-Beschriften Beschriftungslaser Systemaufbau Diodengepumpte Festkörperlaser Lampengepumpte Festkörperlaser Strahlführung Strahlaufweitung Strahlablenkung Strahlfokussierung Bediensoftware Steuerung Programmierung Ablaufprogrammierung Diagnose-Tool und Telepräsenz Bearbeitungsparameter Laserleistung Pulsfolgefrequenz Ablenkgeschwindigkeit Fokuslage und Fokusdurchmesser Strahlqualität Anwendungen Metalle beschriften Eigenschaften Anlassen Gravieren Abtragen einer Deckschicht Kunststoffe beschriften Eigenschaften Verfärben und Ausbleichen T335DE.DOC Inhaltsverzeichnis 5

6 Schäumen Abtragen einer Deckschicht Gravieren Sonstige Werkstoffe beschriften Inhaltsverzeichnis T335DE.DOC

7 1. Warum Laserbeschriften? In den letzten Jahren hat der Laser als Werkzeug für das Beschriften industrieller Produktionsgüter aus verschiedenen Gründen größere Bedeutung gewonnen und ist aus der Produktion nicht mehr wegzudenken: x Die hohe Flexibilität des Verfahrens ist heute wichtiger denn je, da immer mehr Teile individuell gekennzeichnet werden müssen. x Die Bedienung wurde durch die Weiterentwicklung der Software in den letzten Jahren erheblich vereinfacht. x Die Beschriftungssysteme sind kostengünstiger geworden. Das Laserbeschriften zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen gegenüber den konventionellen Verfahren wie Stempeln, Prägen, mechanisches Gravieren, Ätzen oder Tampondruck aus: x Beliebige Geometrie der Beschriftung o hohe Flexibilität. x Hohe Qualität und Reproduzierbarkeit der Beschriftung. x Berührungslose Bearbeitung kein Werkzeugverschleiß, geringe Materialbeeinflussung. x Einfache Integration in vollautomatische Fertigungsabläufe, da alle Abläufe rechnergesteuert erfolgen und Daten einfach über Schnittstellen übertragen werden können. x Keine Vor- und Nacharbeiten notwendig. x Große Vielfalt bearbeitbarer Materialen (Keramiken, Metalle, Kunststoffe). x Sehr feine Markierungen (bis 0,03 mm) können aufgebracht werden. x Große Flächen können beschriftet werden. x Schwer zugängliche Stellen sind erreichbar. x Hohe Beschriftungsgeschwindigkeit. x Umweltfreundliches Verfahren. T335DE.DOC Warum Laserbeschriften? 7

8 Warum Beschriften? Industrielle Produktionsgüter werden aus unterschiedlichen Gründen beschriftet. Man unterscheidet: x Werkstück- oder gerätespezifische Kennzeichnung. Mit dem Laser beschriftetes Typenschild Fig x Funktionsbezogene Kennzeichnung. Mit dem Laser gekennzeichneter Schalter in Tag& Nacht-Design Fig x Kennzeichnung zur Werkstück-Identifikation. Mit dem Laser gefertigter DataMatrix-Code (2D-Code ECC200, links) und Barcode (EAN13, rechts) Fig , Warum Laserbeschriften? T335DE.DOC

9 x Kennzeichnungen zur Gewährleistung durchgängiger Rückverfolgbarkeit (Produkthaftung). x Kennzeichnung als Imitationsschutz (Firmenlogos). x Farb- und designgebende Kennzeichnungen. x Körnungen und Markierungslinien für nachfolgende Fertigungsschritte. Anforderungen an eine industrielle Kennzeichnung Industriell aufgebrachte Markierungen und Beschriftungen sollen die folgenden Anforderungen erfüllen: x Dauerhafte Beschriftung. x Hoher Kontrast der Beschriftung gegenüber dem Grundmaterial. x Hohe Flexibilität in Inhalt und Form. x Materialschonende Kennzeichnung. x Möglichkeit der Online-Einbindung, z. B. direkte Übernahme von Messdaten auf das Werkstück. x Kostengünstig. Mit dem Laser gekennzeichneter Motorschutzschalter Fig Beschriftungsverfahren Im industriellen Einsatz sind verschiedene Beschriftungsverfahren üblich. Die wichtigsten Verfahren und deren Qualitätsmerkmale im Überblick: Laser Mech. Gravieren Ätzen Druck Inkjet Prägen Qualität gut gut gut gut mittel mittel Beständigkeit gut gut mittel mittel mittel gut Materialbeanspruchung gering hoch mittel gering gering hoch Flexibilität hoch keine keine keine mittel mittel Investition hoch mittel gering gering gering mittel Wartung Verschleiß gering hoch gering hoch hoch hoch Tab. 1 T335DE.DOC Warum Laserbeschriften? 9

10 Die hohe Qualität und die nahezu grenzenlose Flexibilität der Laserbeschriftung sind die Gründe dafür, dass konventionelle Verfahren zunehmend ersetzt werden. 2. Prinzip Laserlicht ist gekennzeichnet durch eine für den jeweiligen Lasertyp charakteristische Wellenlänge und eine hohe Leistungsdichte. Zum Beschriften wird der Laserstrahl auf das Material fokussiert. Die Wechselwirkung mit der Oberfläche führt zu einer Veränderung des Materials zum Beispiel zu einer Verfärbung, einer Gravur oder einem Materialabtrag. Wie sich der Werkstoff verändert, hängt im Wesentlichen von der Wellenlänge des Lasers und von der Leistungsdichte des Laserstrahls im Fokus ab. Die Leistungsdichte (Quotient aus Laserleistung und Durchmesser des Laserstrahls im Fokus) wiederum ist abhängig von der Laserleistung und dem Fokusdurchmesser. Wodurch entsteht die Beschriftung? Die Wechselwirkung des Laserlichts mit dem Werkstoff hängt ab von: x Bearbeitetes Material. x Wellenlänge des Lasers. x Eingestellten Bearbeitungsparametern (Laserleistung, Bearbeitungsgeschwindigkeit und Pulsfolgefrequenz). Entscheidend ist, dass der Werkstoff Laserlicht mit einer bestimmten Wellenlänge absorbiert und dadurch sein Aussehen ändert. Man unterscheidet die folgenden Beschriftungsarten: x Abtragen x Gravieren x Anlassen x Farbumschlag und Ausbleichen x Schäumen 10 Prinzip T335DE.DOC

11 Abtragen Beschichtete Materialien können dadurch beschriftet werden, dass die oberste Schicht mit dem Laser abgetragen wird. Beispiel: eloxiertes Aluminium, lackierte Werkstoffe, Tag&Nacht-Design oder Laserbeschriftungsfolien. Laser Abgetragene Beschichtung 2 Grundmaterial Beschriften durch Abtragen Fig Gravieren 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 teilweise verdampft. Im Werkstoff entsteht eine an sich farblose Vertiefung die Gravur. Häufig bilden sich durch die Wechselwirkung des aufgeschmolzenen Grundmaterials mit dem Luftsauerstoff Oxide, die aufgrund ihrer Farbe die Beschriftung deutlicher hervortreten lassen. Laser Gravur 2 Grundmaterial Beschriften durch Gravieren Fig T335DE.DOC Prinzip 11

12 Anlassen Bestimmte Metalle können durch Anlassen beschriftet werden. Das Material wird dabei lokal bis unterhalb seines Schmelzpunktes erwärmt. Es entstehen lokale Gefügeveränderungen und die damit verbundenen Anlassfarben. Anlassfarben sind bis ca. 200 C stabil. Bei höheren Temperaturen bilden sich diese Gefügeveränderungen zurück und die Beschriftung verschwindet. Laser Verfärbtes Grundmaterial 2 Grundmaterial Beschriften durch Anlassen Fig Farbumschlag und Ausbleichen Dieser Prozess wird vorwiegend bei Kunststoffen wirksam. Durch die Energie des Laserstrahls werden gezielt einzelne Moleküle - zum Beispiel die Farbpigmente zerstört oder in ihrer Struktur verändert. Material und Laser-Wellenlänge sind dabei optimal aufeinander abzustimmen. Oberhalb einer für den jeweiligen Prozess charakteristischen Schwellenenergie ändert sich die Farbe des Materials durch Absorption der Laserenergie. Für das Auge wird ein Farbumschlag oder ein Ausbleichen des Werkstoffes an den bearbeiteten Stellen sichtbar. Die Oberfläche des Werkstoffes bleibt dabei nahezu unbeschädigt. Laser Verfärbtes Grundmaterial 2 Grundmaterial Beschriften durch Farbumschlag und Ausbleichen Fig Prinzip T335DE.DOC

13 Schäumen Schäumen ist nur bei bestimmten Kunststoffen möglich. Der Laserstrahl bringt den Kunststoff lokal zum Schmelzen. Dabei entstehen kleine Gasbläschen, die beim Abkühlen des Materials eingeschlossen werden. Es entsteht im Gegensatz zum Gravieren eine erhabene Markierung. Das einfallende Licht wird an den bearbeiteten Stellen diffus reflektiert dadurch erscheinen diese Stellen heller. Laser Aufgeschäumtes Grundmaterial 2 Grundmaterial Beschriften durch Schäumen Fig Hinweis Ausführliche Informationen zu den Prozessen, die bei der Beschriftung ablaufen, finden Sie auf den Seiten 42 ff. T335DE.DOC Prinzip 13

14 3. Verfahren 3.1 Vektor-Beschriften Verfahren Beim Vektor-Verfahren wird der Laserstrahl von zwei beweglichen Spiegeln abgelenkt dies verursacht eine Bewegung des Laserstrahls in X- und Y-Richtung auf dem Werkstück. Der Strahl wird durch ein Linsensystem geführt und auf das Werkstück fokussiert. Die Spiegel führen den Laserstrahl mit hoher Geschwindigkeit (mehrere Meter pro Sekunde) über das Werkstück. Der Laserstrahl zeichnet die gewünschten Markierungen auf die Materialoberfläche. Das Schriftbild entsteht aus einer Vielzahl von Linien ( Vektoren ). Die Bewegung der Spiegel wird von der Steuerung vorgegeben und über Rückkopplung geregelt und überwacht. Mit der graphischgestützten Beschriftungssoftware lassen sich Zeichnungen leicht erstellen und auch ändern. Dabei helfen beschriftungsspezifische Funktionen, Seriennummern und Variablen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit der Übernahme von Messwerten oder Host-Rechnerdaten in die Beschriftung Y 6 7 X 1 Laser 2 Strahlaufweitung (Teleskop) 3 Strahlablenkung, y-richtung (Spiegel) 4 Strahlablenkung, x-richtung (Spiegel) Vektor-Beschriften 5 Strahlfokussierung (Planfeldobjektiv) 6 Beschriftungsfeld 7 Werkstück Fig Verfahren T335DE.DOC

15 Plotter-Markierer Große ebene Werkstücke werden auch mit sogenannten Plotter- Markierern beschriftet. Plotter-Markierer arbeiten nach dem Prinzip der "fliegenden Optik", das bedeutet: das Werkstück ruht, der Bearbeitungskopf mit der Fokussieroptik wird bewegt. Der Strahl wird mit Hilfe von Spiegeln zur Bearbeitungsstelle geführt. 3.2 Masken-Beschriften Verfahren Beim Masken-Beschriften wird eine mechanische Schablone vom Laserstrahl durchleuchtet. Der auf diese Weise in seiner Geometrie modifizierte Laserstrahl wird über ein Linsensystem auf das Werkstück abgebildet und entwirft dort ein verkleinertes, seitenverkehrtes Abbild der Maske. Ist die Maske nicht größer als das homogene Strahlprofil des Laserstrahls (typ. Ø: 10 mm...25 mm), ist die komplette Markierung mit einem einzigen Laserpuls von ca. 1 µs Dauer abgeschlossen. Aufgrund der kurzen Beschriftungszeit kann die Markierung auch am bewegten Werkstück aufgebracht werden. Daher wird das Masken-Beschriften vor allem im Bereich der Verpackungsindustrie für Massengüter eingesetzt. Ist die Maske größer als der Querschnitt des Strahlprofils, durchleuchtet der Strahl die Maske mehrfach örtlich gegeneinander versetzt Schablone 2 Linse Masken-Beschriften 3 seitenverkehrtes Ebenbild Fig T335DE.DOC Verfahren 15

16 3.3 Raster-Beschriften Beim Raster-Verfahren wird der Laserstrahl wie beim Vektor-Beschriften über zwei bewegliche Spiegel in X- und Y-Richtung abgelenkt. Anstelle eines der beiden Spiegel wird häufig auch ein Polygonspiegel eingesetzt, der den Laserstrahl mit konstanter Geschwindigkeit von einer Seite zur anderen ablenkt. Eine Fokussieroptik fokussiert den Laserstrahl auf eine zweidimensionale Beschriftungsebene. Der Laserstrahl bewegt sich wie bei einem Fernsehbild - zeilenweise. Es wird immer eine Linie mit einer konstanten Geschwindigkeit von links nach rechts gefahren. Am Ende der Linie springt der Laserstrahl eine Zeile tiefer und startet wieder am Zeilenanfang. An den Stellen, die markiert werden sollen, wird der Laserstrahl für einen kurzen Moment freigegeben; das Schriftbild wird Zeile um Zeile aufgebaut Y 6 X 1 Strahlablenkung, y-richtung 4 Strahlablenkung, x-richtung 7 Schreibrichtung 2 Laser (Polygonspiegel) 8 Schnelles Zurückfahren 3 Motor 5 Strahlfokussierung (Planfeldobjektiv) 6 Werkstück Raster-Verfahren: Prinzip (links) und Bildaufbau (rechts) Fig Verfahren T335DE.DOC

17 3.4 Verfahren im Vergleich Vektor-Beschriften Lasertypen Überwiegend kurzgepulste Festkörperlaser mit Güteschalter (Q- Switch). Wellenlängen: x 1064 nm (nahes Infrarot). x 532 nm (grün; frequenzverdoppelt). x 355 mm (UV; frequenzverdreifacht). Zur Beschriftung organischer Materialien wie Leder oder Holz und zur Beschriftung von Glas werden in der Regel CO 2 Laser mit der Wellenlänge 10,6 µm eingesetzt. Merkmale Fazit x x x x x Sehr hohe Flexibilität. Sehr hohe Qualität der Beschriftung. Hohe Ortsauflösung sehr feine Linien (bis ca. 0,03 mm) sind möglich. Hohe Ablenkgeschwindigkeit (mehrere m/s). Frei programmierbar. x In Verbindung mit geeigneten Handhabungssystemen hohe Produktivität. Das Vektor-Beschriften ist das Laserbeschriftungsverfahren, das am weitesten verbreitet ist. Der größte Vorteil dieses Verfahrens liegt zweifellos in der hohen Flexibilität, der einfachen Programmierung und der hohen Qualität der Beschriftung. Das Vektor-Verfahren ist ein universelles Verfahren, mit dem fast alle Beschriftungsaufgaben gelöst werden können. Die Vorteile des Verfahrens werden aber vor allem dort deutlich, wo häufig wechselnde Beschriftungen erforderlich sind beispielsweise beim Kennzeichnen von Werkstücken mit laufenden Nummern, unterschiedlichen Namen und Logos oder Beschriftungen mit aktuellen Messdaten. Masken-Beschriften Lasertypen Überwiegend gepulste CO 2 Laser x Wellenlänge: 10,6 µm (fernes Infrarot). In geringerem Umfang werden auch Festkörperlaser (infrarot) und Excimer-Laser geringerer Leistung (ultraviolett) eingesetzt. T335DE.DOC Verfahren 17

18 Merkmale Fazit x Sehr kurze Markierzeit (bei festem Schriftbild). x In Verbindung mit geeigneten Handhabungssystemen sehr hohe Produktivität. x Gute Qualität der Beschriftung. x Geringe Flexibilität (Masken). Das Masken-Beschriften ist gegenüber den anderen Laser-Beschriftungsverfahren das Prinzip, mit dem die schnellsten Beschriftungszeiten erreicht werden. Es können damit auch Teile beschriftet werden, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Das Masken-Beschriften wird daher auch vorwiegend zur Beschriftung der Verpackung von Massenprodukten eingesetzt beispielsweise zum Aufbringen des Mindesthaltbarkeitsdatums auf Milchflaschen oder Joghurtbechern. Der Nachteil des Masken-Beschriftens gegenüber dem Vektor- Verfahren liegt in der deutlich geringeren Flexibilität. Raster-Beschriften Lasertypen Merkmale Fazit Überwiegend Festkörper-cw 1 -Laser mit externer Modulation x Wellenlängen: 1064 nm (nahes Infrarot). x Zeitvorteil bei sehr hoher Beschriftungsdichte durch den Einsatz von Polygonspiegeln. x Hohe Flexibilität. x Freie Programmierbarkeit. x Kurze Bearbeitungszeiten durch sehr hohe Ablenkgeschwindigkeiten. x Geringere Qualität der Beschriftung durch den gerasterten Bildaufbau. Das Raster-Beschriften wird heute fast ausschließlich in der Druckindustrie für das Belichten von Filmschichten eingesetzt. Bei allen anderen Beschriftungsaufgaben wird das Raster-Beschriften heute jedoch nahezu vollständig durch das Vektor-Beschriften ersetzt. 1 cw = continuous wave (kontinuierlicher Strahl) 18 Verfahren T335DE.DOC

19 4. Beschriftungslaser 4.1 Systemaufbau Beschriftungslaser von TRUMPF arbeiten nach dem Vektor- Beschriftungsverfahren Y 8 9 X 1 Beschriftungsprogramm 2 Steuerung 3 Laser 4 Strahlaufweitung (Teleskop) 5 Galvanometerspiegel Y-Richtung Aufbau eines Laserbeschrifters 6 Galvanometerspiegel X-Richtung 7 Planfeldlinse 8 Beschriftungsfeld 9 Werkstück Fig Laser und Strahlführung Der Laser erzeugt den Laserstrahl, der für den Beschriftungsprozess notwendig ist. Der Strahl wird über Spiegel und Linsen zur Oberfläche des Werkstücks geführt, wo die Beschriftung entstehen soll. T335DE.DOC Beschriftungslaser 19

20 Steuerung und Programmierung Die Steuerung steuert alle Abläufe. Sie ist die Schnittstelle zwischen dem Bediener und der Beschriftungsanlage. Die Bediensoftware ermöglicht den effizienten Mensch-Maschine-Dialog. Die wichtigsten Merkmale: x Graphische Funktionen zum Erstellen von Schriftbildern (ähnlich graphischen Editoren unter Windows). x Font-Editor: Erlaubt vorhandene Zeichensätze der Bediensoftware zu ändern. x Truetype-Konverter: Überträgt Windows-Schriftarten als Außenkonturschriften in das Format der Bediensoftware. x CAD-Schnittstellen zum Einlesen bereits vorhandener Grafikdateien z.b. Logos oder Sonderzeichen. x Einbindung von Online-Messdaten. x Funktionen zur Generierung von DataMatrix-Codes, Barcodes und Seriennummern. x Möglichkeit der Einbindung in Fertigungsabläufe; Kommunikation mit Fertigungsrechnern. 4.2 Diodengepumpte Festkörperlaser Für das Beschriften werden Festkörperlaser mit vergleichsweise geringer mittlerer Leistung eingesetzt. Mit Hilfe eines akustooptischen Schalters des Güteschalters (Q-Switch) werden Pulse mit hoher Spitzenleistung erzeugt, die dennoch gleichförmig sind. Dadurch kann die Wechselwirkung mit dem Material sehr fein abgestimmt werden. Aufbau Pumplichtquelle 2 Lichtleitfaser 3 Pumplicht 4 Pumplichtführung 5 Endspiegel 6 Laserstab 7 Güteschalter (Q-Switch) 8 Auskoppelspiegel 9 Ausgekoppelter Laserstrahl Diodengepumpter Festkörperlaser für Beschriftungsaufgaben: Aufbau (am Bsp. eines endgepumpten Lasers) Fig Beschriftungslaser T335DE.DOC

21 Prinzip Laserstab Optische Anregung: Pumpen mit Laserdioden Der Laserstab und die Pumplichtquelle heute überwiegend Laserdioden sind in einem Gehäuse untergebracht, wobei die Pumplichtquelle Energie in den Laserstab pumpt. Dort entsteht das Laserlicht, das zwischen zwei Spiegeln hin- und herreflektiert und bei jedem Durchgang durch den Laserstab verstärkt wird. Einer der beiden Spiegel reflektiert das Licht nur teilweise. Durch diesen tritt ein Teil des Laserlichts etwa % - aus dem Laser aus und steht als Werkzeug für das Beschriften zur Verfügung. Der Laserstab besteht aus einem künstlich gezüchteten Einkristall aus Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) bzw. Yttrium-Vanadium-Oxid (Vanadat), in dem ein kleiner Teil der Yttrium-Ionen durch Ionen des Elements Neodym (Nd), dem eigentlich laseraktiven Material, ersetzt wird. Er ist nahezu durchsichtig und schimmert leicht rosa. Die Abmessungen des Laserstabes hängen von der Spezifikation des Lasers ab. Typisch ist ein Durchmesser von etwa 4 mm bei einer Länge von etwa 10 mm. Laserdioden senden Laserlicht einer einzigen, für den jeweiligen Diodentyp charakteristischen Wellenlänge aus. Damit ist es möglich, das Lasermedium selektiv anzuregen also nur Licht der Wellenlänge in das System zu pumpen, welches das Lasermedium am effektivsten anregt. Der Wirkungsgrad eines diodengepumpten Festkörperlasers ist daher um ein Vielfaches höher als der eines lampengepumpten Systems (siehe auch Abschnitt 4.3, S.24). Die ersten diodengepumpten Festkörperlaser wurden 1988 vorgestellt - damals waren diese Laser noch sehr leistungsschwach und instabil. Mit neuen leistungsstarken Laserdioden hoher Lebensdauer wurde der Einsatz diodengepumpter Festkörperlaser auch für die Materialbearbeitung interessant. Inzwischen haben sich die diodengepumpten Laser im Markt etabliert und ersetzen die lampengepumpten Laser. Vorteile diodengepumpter Laser: x Sehr kompaktes und leichtes Design o kann einfach in Produktionslinien integriert werden. x Pumplicht ist monochromatisch o hoher Wirkungsgrad. x Einfache Kühlung durch interne Wasser/Luft-Kühleinheit o keine äußere Rückkühlung notwendig. x Hohe Strahlqualität. x Kürzere Pulsdauer und dadurch höhere Spitzenleistung möglich. x Lange Lebensdauer der Pumpdioden. x Geringer Wartungsaufwand. T335DE.DOC Beschriftungslaser 21

22 Kühlung Neben dem Lasereffekt selbst finden im Laserstab weitere Prozesse statt, die Wärme freisetzen. Der Stab wird heiß und dehnt sich aus; es entstehen Verformungen, die optische Verzerrungen verursachen, und thermische Spannungen, die zur Zerstörung des Kristalls führen würden. Aus diesem Grund wird der Laserstab auf eine definierte und überwachte Temperatur gekühlt. Besonders Kristalle lampengepumpter Laser müssen gekühlt werden. Auch die Diodenmodule werden während des Betriebes warm und müssen gekühlt werden. Die Temperaturregelung ist hier ebenfalls wichtig, denn die emittierte Wellenlänge der Laserdioden hängt von der Temperatur der Diode ab. In den meisten Fällen werden die Dioden über einen internen Wasserkreislauf gekühlt. Strahlqualität und Modenblende Zur Charakterisierung der Fokussierbarkeit eines Laserstrahls wird in der Regel das sogenannte Strahlparameterprodukt q angegeben. Es wird aus den optischen Größen Divergenz und Strahldurchmesser an der Strahltaille berechnet und bleibt während der gesamten Ausbreitung des Strahls konstant - auch wenn der Strahl durch Linsen geführt oder an Spiegeln reflektiert wird (siehe Seite 26). Je kleiner das Strahlparameterprodukt eines Laserstrahls ist, um so besser ist die Strahlqualität eines Lasers und um so besser lässt sich der Strahl fokussieren. Durch eine Modenblende im Strahlgang innerhalb des Resonators kann die transversale Energieverteilung und damit die Strahlqualität des Laserstrahls vom Hersteller kontrolliert werden (siehe Seite 41). Güteschalter - Q-Switch Der Güteschalter eines Festkörperlasers ist ein zwischen Laserstab und Resonatorspiegel angebrachter akusto-optischer Schalter. Dieser Schalter ist im Normalzustand optisch transparent. Durch Erzeugung einer akustischen Welle im Kristall ändert sich der Brechungsindex lokal. Der Strahl wird abgelenkt, die Oszillation des Laserstrahls zwischen den Spiegeln wird unterbunden und der Laser geht aus. Während der Dauer der Unterbrechung pumpt das Diodenmodul jedoch weiter Energie in den Kristall. Wird der Strahlgang wieder freigegeben (die Güte kurzfristig hoch geschaltet), entlädt sich die angestaute Lichtenergie schlagartig. Ein Laserpuls mit hoher Leistung wird frei. Die Pulsdauer liegt meistens zwischen 10 und 200 ns, je nach Länge des Resonators. Die Eigenschaften eines Lasers werden entscheidend durch die Güte Q des Resonators bestimmt dies ist das Maß für die Verluste des Resonators im Vergleich zur gespeicherten Energie. Diese wiederum sind abhängig vom Reflexionsvermögen der Spiegel und der Geometrie der Spiegel. Hat der Resonator eine geringe Güte, dann gibt es im Resonator hohe Verluste die Emission von Laserstrahlung setzt erst bei höherer Pumpleistung ein als bei einem Resonator mit hoher Güte. 22 Beschriftungslaser T335DE.DOC

23 Gelingt es nun, Energie in das Lasermedium zu pumpen, solange der Resonator eine geringe Güte hat, so können sehr viel mehr Ionen angeregt werden, als wenn der Resonator eine hohe Güte hat. Wird die Güte dann kurzfristig hoch geschaltet, geben die angeregten Ionen ihre Energie lawinenartig ab: es entsteht ein sehr kurzer Laserpuls mit sehr hoher Spitzenleistung. Funktionen des Q-Switch Frequenzverdopplung, Frequenzverdreifachung Justage Der Q-Switch hat zwei wichtige Funktionen: x Präzises und schnelles Ein- und Ausschalten des Laserstrahls. x Beeinflussung von Pulsdauer und Pulsspitzenleistung. In den Strahlgang kann zusätzlich ein nicht linearer Kristall eingebaut werden, mit dessen Hilfe die Frequenz des Laserlichtes verdoppelt oder verdreifacht wird. Der Laser emittiert dann grünes Laserlicht der Wellenlänge 532 nm oder 355 nm. Frequenzverdoppelte und -verdreifachte Festkörperlaser werden vor allem zum Beschriften von Kunststoffen eingesetzt. Alle Komponenten des Lasers und der Strahlführung werden von TRUMPF sorgfältig aufeinander abgestimmt und justiert - nur Fachpersonal darf die Komponenten nachjustieren. T335DE.DOC Beschriftungslaser 23

24 4.3 Lampengepumpte Festkörperlaser Aufbau Lasermedium Nd:YAG-Kristall 4 Teildurchlässiger Spiegel 2 Pumplichtquelle (Auskoppelspiegel) 3 Totalreflektierender Spiegel 5 Güteschalter (Q-Switch) 6 Blende Aufbau eines lampengepumpten Festkörpers Fig Optische Anregung mit Pumplampen (z.b. Krypton- Bogenlampen): Lampen senden Licht in einem breiten Wellenlängenbereich aus. Zur Anregung kann aber nur ein schmaler Wellenlängenbereich genutzt werden. Der Wirkungsgrad eines mit lampengepumpten Festkörperlasers ist deshalb grundsätzlich relativ gering. Das "überflüssige" Licht führt daneben zu einer zusätzlichen unerwünschten Erwärmung des Laserstabs. Wird mit Lampen angeregt, so werden diese ständig von Kühlwasser umspült (externe Kühlung). Die Lampen des Lasers werden von der Versorgung des Lasergerätes mit der von der Steuerung vorgegebenen elektrischen Leistung gespeist. Auf diese Weise kann die Leistung reguliert werden. 24 Beschriftungslaser T335DE.DOC

25 4.4 Strahlführung Die Wellenlänge des Festkörperlasers liegt im nahen infraroten Bereich, beim frequenzverdoppelten ( grünen ) Festkörperlaser im sichtbaren Bereich und beim frequenzverdreifachten Laser im ultravioletten Bereich. Deswegen können zur Strahlführung optische Komponenten aus Glas eingesetzt werden. Weg des Laserstrahls Y 6 7 X 1 Laser 2 Strahlaufweitung (Teleskop) 3 Strahlablenkung, y-richtung (Spiegel) 4 Strahlablenkung, x-richtung (Spiegel) Der Weg des Laserstrahls 5 Strahlfokussierung (Planfeldlinse) 6 Beschriftungsfeld 7 Werkstück Fig Der Laserstrahl wird durch ein Teleskop aufgeweitet und danach von zwei beweglichen Spiegeln umgelenkt. Die Antriebe der Spiegel arbeiten nach dem Galvanometer-Prinzip und lenken den Strahl unabhängig voneinander programmgesteuert in X- und Y- Richtung ab. Das Objektiv fokussiert den Laserstrahl auf die Werkstückebene. Durch die spezielle Wahl der Fokussierlinse wird erreicht, dass der Brennpunkt im Beschriftungsfeld auf einer Ebene liegt. T335DE.DOC Beschriftungslaser 25

26 Strahlaufweitung Zur Charakterisierung der Fokussierbarkeit eines Laserstrahls wurde das Strahlparameterprodukt eingeführt. Es wird aus den optischen Größen Divergenz und Strahldurchmesser berechnet: Strahlparameterprodukt q B 4 Divergenz d F Strahldurchmesser an der Strahltaille Strahlparameter f Brennweite Fig Das Produkt aus diesen beiden Größen bleibt während der gesamten Ausbreitung eines Laserstrahls konstant (auch beim Durchgang durch Linsen oder bei der Reflexion an Spiegeln) und ist charakteristisch für den Laser: q = (4 d F )/4 4 Divergenz Einheit des Strahlparameterprodukts q: mm mrad d F Strahldurchmesser an der Strahltaille Die Divergenz 4 (der Gesamt-Öffnungswinkel) eines Laserstrahls ist häufig zu groß für lange Übertragungswege. Aus diesem Grund wird der Strahl nach dem Austritt aus der Laserstrahlquelle mit einem Teleskop aufgeweitet. Der Strahldurchmesser vergrößert sich, dadurch wird die Divergenz kleiner. Der Strahl kann über längere Strecken geführt und am Ende der Strahlführung wieder besser fokussiert werden. 26 Beschriftungslaser T335DE.DOC

27 Aufbau Ein Strahlaufweitungssystem oder auch Strahlteleskop besteht in der Regel aus zwei gegeneinander verschiebbaren Linsen. Man unterscheidet das Kepler-Teleskop und das Galilei-Teleskop. Galilei Kepler f 1 f 2 f 1 f 2 Strahlaufweitungssystem Fig In der Praxis werden meist Galilei-Teleskope eingesetzt. Sie können kompakter aufgebaut werden, und es wird eine zu hohe Leistungsdichte zwischen den Spiegeln vermieden. Wie sehr der Strahl aufgeweitet wird, hängt von mehreren Faktoren ab. Grundsätzlich gilt: x Der Strahl sollte einerseits möglichst weit aufgeweitet werden, damit er über eine große Strecke geführt werden kann. x Der Strahldurchmesser sollte andererseits nicht zu groß sein, damit möglichst kleine und daher schnelle Spiegel eingesetzt werden können. Am Bearbeitungsort wird der aufgeweitete Strahl mit Hilfe von Linsensystemen wieder fokussiert. Strahlablenkung Der Strahl wird von zwei Spiegeln abgelenkt. Jeder Spiegel ist an einem Galvanometer befestigt, dessen Auslenkung die Position des Spiegels und damit letztlich die Ablenkung des Strahls festlegt. Dieses Prinzip hat einige entscheidende Vorteile: x Der Strahl wird abgelenkt, ohne dass das Werkstück selbst oder die optischen Komponenten bewegt werden müssen. x Dadurch sind sehr hohe Ablenkgeschwindigkeiten möglich. x Die Ablenkung des Laserstrahls ist sehr genau. T335DE.DOC Beschriftungslaser 27

28 Das Prinzip Spiegel 2 Kugellager 3 Eisen als Magnetkern Galvanometerspiegel: Das Prinzip 4 Torsionsstab (magnetisch) 5 Magnetspule 6 Positionsdetektor Fig Das Prinzip: An jedem Spiegel (1) ist ein Torsionsstab (4) aus magnetischem Material befestigt, der von vier Spulen (5) umgeben wird. Die Spulen werden zu je zwei Spulenpaaren geschaltet. Wird an den Spulenpaaren eine Steuerspannung angelegt, so fließt ein Strom durch die Spulen: es entsteht ein Magnetfeld, welches den Torsionsstab und damit den Spiegel aus seiner Ruhelage auslenkt. Ein Positionsdetektor (6) überwacht die Auslenkung: er arbeitet wie ein veränderlicher Kondensator. Durch die Auslenkung des Torsionsstabes verändert sich die Kapazität, diese Veränderung wird gemessen und ausgewertet. Steuerung Galvanometerspiegel zeichnen sich durch ihre ausgefeilte Steuerungstechnik aus. Eine umfangreiche und leistungsfähige Elektronik steuert, überwacht und regelt die Auslenkung der Spiegel. Die Steuerung der Galvanometerspiegel muss die folgenden Aufgaben übernehmen: x Verstärken der vom Steuerrechner gelieferten Spannungen oder Signale für die Auslenkung des Spiegels. x Auswerten der Messwerte vom Positionsdetektor. x Nachregeln bei Abweichungen. 28 Beschriftungslaser T335DE.DOC

29 Strahlfokussierung Die Strahlführung schließt mit der Fokussieroptik ab, die den Laserstrahl auf die Werkstückoberfläche bündelt. Die Fokussieroptik besteht aus mehreren Linsen - einem Objektiv - und ist durch zwei entscheidende Eigenschaften gekennzeichnet: x Planfeldoptik: Das Objektiv fokussiert den Laserstrahl auf eine ebene Fläche und nicht wie Standard-Linsen auf eine sphärische Fläche. Planfeldlinse Standard-Linse f 4 1 Spiegel 2 Laserstrahl 3 Linse 4 Fokussierebene f Brennweite Planfeldlinse und Standardlinse Fig x F-Theta-Charakteristik: Die Ablenkung des Strahls durch das Objektiv ist dem Einfallswinkel des Strahls direkt proportional (und nicht wie bei einem konventionellen Objektiv dem Tangens des Einfallswinkels) Laser 2 Galvanometerspiegel 3 Planfeldobjektiv 4 Fokussierebene Planfeldlinse: Abbildungseigenschaften Fig T335DE.DOC Beschriftungslaser 29

30 Das Objektiv ermöglicht somit die unverzerrte Darstellung des Beschriftungsbildes in einer Ebene. Die Brennweite der Fokussieroptik bestimmt die folgenden Kenngrößen: x Schriftfeldgröße: Je länger die Brennweite, desto größer das quadratische Schriftfeld. Zur Auswahl stehen derzeit Standard- Optiken für 60 mm x 60 mm, 120 mm x 120 mm, 180 mm x 180 mm, 220 mm x 220 mm. x Arbeitsabstand: Je länger die Brennweite, desto größer der Arbeitsabstand. Die Abstände für die oben genannten Optiken liegen zwischen 100 mm und 550 mm. x Tiefenschärfe: Je länger die Brennweite, desto größer der Tiefenschärfe-Bereich; der Bereich für die oben genannten Optiken liegt zwischen r0,5 mm und r4 mm. x Fokusdurchmesser: Je länger die Brennweite, desto größer der Fokusdurchmesser und damit geringer die Leistungsdichte auf der Werkstückoberfläche. Bei Fokussierung mit einer Brennweite von 163 mm (entspricht Schriftfeld 120 mm x 120 mm) liegt der Fokusdurchmesser typischerweise bei 50 µm. x Für eine Brennweite von f = 330 mm (220 mm x 220 mm) verdoppelt sich der Fokusdurchmesser. Die Leistungsdichte wird auf ein Viertel des vorigen Wertes verringert. 30 Beschriftungslaser T335DE.DOC

31 4.5 Bediensoftware Steuerung Beschriftungslaser werden mit Hilfe der Bediensoftware vom Steuerrechner aus gesteuert und programmiert. Der Steuerrechner übernimmt dabei die folgenden Aufgaben: x Schnittstelle zwischen Bediener und Maschine. x Speichern und Verwalten der eingegebenen Daten. x Syntax-Kontrolle und Übersetzung der Eingaben in Maschinenbefehle. x Berechnen der Spiegelstellungen (Bahnkoordinaten) für den Beschriftungsvorgang. x Berechnen von Korrekturwerten. x Überwachen der Bahngeschwindigkeit während der Ausgabe von Bahnkoordinaten. x Überwachen und Steuern der Kühlung und der Energieversorgung. x Schnittstelle zu übergeordneten Fertigungssystemen und zur Online-Datenübertragung. x Schnittstelle für den Service mit Möglichkeit der Telediagnose. Die Bediensoftware wird unter Windows betrieben. Die Bedienoberfläche ist übersichtlich in verschiedene Funktionsbereiche gegliedert: Menüleiste 2 Kommunikation mit Ablaufprogrammen 3 Editor zur Erstellung von Beschriftungsprogrammen 4 Statusanzeige 5 Parameteranzeige 6 Bereitschafts- und Warnanzeige Gliederung der Bedienoberfläche Fig T335DE.DOC Beschriftungslaser 31

32 Programmierung Voraussetzung für das Erzeugen des gewünschten Schriftbilds nach dem Vektor-Beschriftungsverfahren, ist ein Beschriftungsprogramm. Dieses besteht aus Texten und Grafiken einerseits und laserspezifischen Bearbeitungsdaten andererseits. Der Grafik- Editor verfügt daher sowohl über umfangreiche Zeichnungsfunktionen als auch über Funktionen zur Einstellung der Bearbeitungsparameter. Die wichtigsten Leistungsmerkmale des Grafik-Editors sind: x Übersichtliche Strukturierung der Oberfläche; dadurch einfache, leicht erlernbare Handhabung. x Abbildungsgetreue Darstellung der Zeichnung, wie sie später auch auf dem Werkstück erscheint. x Umfangreiche Editor-Funktionen zur Erstellung von Beschriftungsprogrammen. x Offene Schnittstellen ermöglichen die Übernahme von vorhandenen Grafiken, CAD-Zeichnungen oder Text. Variable Fertigungsdaten können aus externen Dateien während des Beschriftungsvorgangs eingebunden werden. DXF IGES WMF Übernahme von vorhandenen Grafiken Fig Beschriftungslaser T335DE.DOC

33 x Funktionen zur Erstellung von Seriennummern, Barcodes und DataMatrix-Codes: Erzeugen von Barcodes Fig Mit dem Laser gefertigter Barcode Fig Erzeugen von Seriennummern Fig x Die Multitaskingfunktion erlaubt das Aufbereiten von Daten während des Beschriftungsvorganges. T335DE.DOC Beschriftungslaser 33

34 Ablaufprogrammierung Mit Ablaufprogrammen kann der Ablauf einer Beschriftung von Anfang bis Ende gesteuert und flexibel graphisch programmiert werden. Es ist möglich, einen Datenaustausch mit externen Systemen aufzubauen und Daten zu übertragen. Ablaufprogramm AP Fig Quickflow Auf dem Steuerrechner sind Standard-Ablaufprogramme integriert. Um eigene Ablaufprogramme erstellen zu können, wird eine zusätzliche Software benötigt. Eine solche Software ist Quickflow. Diagnose-Tool und Telepräsenz Das Diagnose-Tool ist ein eigenständiges Programm, das gleichzeitig mit der Bediensoftware auf dem Steuerrechner aktiv sein kann. Das Diagnose-Tool bietet folgende Möglichkeiten: x Meldungsspeicher und Texte der jüngsten Überwachungs- und Störungsmeldungen anzeigen. x Statusinformationen des Lasergeräts anzeigen. x Betriebswerte des Lasergeräts anzeigen: Momentanwerte. Zeitliche Verläufe. 34 Beschriftungslaser T335DE.DOC

35 Feststellen lässt sich: x Ob Statussignale und Betriebswerte korrekt sind. x Wo eventuelle Ursachen von Überwachungs- oder Störungsmeldungen liegen. Oberfläche Diagnose-Tool Fig Telepräsenz Ist das Lasergerät zusätzlich mit der Option "Telepräsenz" ausgestattet, kann der Service sich aus der Ferne über ein Modem auf das Lasergerät aufschalten. Mit dem Diagnose-Tool kann der Service Betriebswerte ablesen und Störungsursachen lokalisieren. T335DE.DOC Beschriftungslaser 35

36 5. Bearbeitungsparameter Das wirksame Zusammenspiel aller Einflussgrößen ist entscheidend für eine hochwertige Beschriftung. Alle Bearbeitungsparameter insbesondere die Laserleistung, die Beschriftungsgeschwindigkeit und die Pulsfrequenz müssen genau auf das Material und die Art der gewünschten Beschriftung abgestimmt sein. Die Bearbeitungsparameter können in der Bediensoftware gewählt und im Beschriftungsprogramm gespeichert werden. Laserleistung Die Laserleistung ist stufenlos regelbar. Je höher diese ist, um so stärker ist die Wechselwirkung mit dem Material. Die Ausgangsleistung des Festkörperlasers wird über die Intensität des Pumplichtes (Dioden oder Lampen) beeinflusst: Der Anregungsstrom regelt die Intensität des Pumplichtes und damit die Laser-Ausgangsleistung. Diese verhält sich jedoch zum Anregungsstrom nicht linear, sondern ist abhängig von der Qualität des Laserkristalls und der Justage des Resonators. Zu jedem Laser gibt es daher Leistungskennlinien, die in der Lasersteuerung hinterlegt sind: P [W] I [A] Einfluss des Anregungsstromes I auf die Ausgangsleistung P des Lasers am Beispiel eines diodengepumpten Festkörperlasers (TEM 00-Mode) Fig Bearbeitungsparameter T335DE.DOC

37 Pulsfolgefrequenz Pulsdauer und Pulsspitzenleistung Über die Pulsfolgefrequenz werden die Pulsdauer und die Pulsspitzenleistung beeinflusst. Diese Parameter bestimmen letztendlich, wie viel Energie in das Werkstück eingebracht wird. Abhängig von der Pulsfolgefrequenz können verschiedene Bearbeitungseffekte erzielt werden - beispielsweise Gravieren, Abtragen, Verfärben oder Anlassen: Gravieren ca khz Abtragen ca khz Verfärben und Anlassen > 20 khz [kw] P av [W] P pk W H P pk W H [ns] 10 P av f p [khz] Ppk Pulsspitzenleistung P av Mittlere Leistung W H Pulsdauer Pulsdauer, Pulsspitzenleistung und mittlere Leistung Fig P pk1 P 1 f p1 1 W H1 1 f p2 W H2 P pk2 P av 2 t Ppk Pulsspitzenleistung P av Mittlere Leistung W H Pulsdauer fp Pulsfolgefrequenz 1 Hohe Pulsspitzenleistung bei niedriger Pulsfolgefrequenz 2 Niedrige Pulsspitzenleistung bei hoher Pulsfolgefrequenz Pulsdauer, Pulsspitzenleistung und mittlere Leistung Fig T335DE.DOC Bearbeitungsparameter 37

38 Erstpuls Bleibt der Q-Switch (Güteschalter) zwischen zwei Vektorzügen längere Zeit geschlossen, so wird im Laser mehr Energie gespeichert als zwischen zwei Pulsen einer Pulsfolge. Verfügt der Laser über keine entsprechende Dämpfung, so ist der erste nach einer längeren Pause emittierte Puls der sogenannte Erstpuls - deutlich leistungsstärker als der "Normalpuls". Das kann zu stärkeren Einbränden im Werkstück führen und die Qualität des Schriftbildes negativ beeinflussen. Lasergeräte von TRUMPF sind daher mit einer elektronischen Regelung ausgestattet, die die Intensität des Erstpulses an die Intensität der Folgepulse anpasst und so diesen unerwünschten Effekt unterdrückt. Ablenkgeschwindigkeit Ablenkgeschwindigkeit und Pulsfolgefrequenz Die Ablenkgeschwindigkeit muss passend zu der gewählten Pulsfolgefrequenz eingestellt werden. v = 200 mm/s v = 500 mm/s v = 1000 mm/s v = 2000 mm/s Strahldurchmesser: 50 µm Pulsfolgefrequenz: 20 khz Einfluss von Ablenkgeschwindigkeit und Pulsfolgefrequenz auf die Markierung Fig Wird die Ablenkgeschwindigkeit im Verhältnis zur Pulsfolgefrequenz zu hoch gewählt, so wandern die Laserpunkte so weit auseinander, dass sich keine geschlossenen Linien mehr ergeben (v = 2000 mm/s). Ist die Ablenkgeschwindigkeit zu klein, überlappen sich die Punkte zu sehr (v = 200 mm/s). In der Praxis wird in der Regel ein leichtes Überlappen der Laserpunkte angestrebt (wie v = 500 mm/s). Die maximale Ablenkgeschwindigkeit liegt bei 3000 mm/s. 38 Bearbeitungsparameter T335DE.DOC

39 Ablenkgeschwindigkeit und Vektorlänge Eine Beschriftung stellt einen Linienzug dar, der aus kurzen oder längeren Geradenstücken den Vektoren zusammengesetzt wird. Bildaufbau Fig Zwischen Schriftgröße und Markiergeschwindigkeit besteht kein linearer Zusammenhang. Das hat verschiedene Gründe: x Bei sehr kurzen Vektoren reicht die Beschleunigungsstrecke nicht aus, um die Sollgeschwindigkeit zu erreichen. x Massenträgheit des Galvanometerspiegel-Systems. x Notwendige Aufbereitungszeit der Daten. Grundsätzlich gilt: die Beschriftungszeit ist um so kürzer, je weniger Vektoren in einem Schriftbild enthalten sind. Zeichendurchsatz Als Maß für die Ablenkgeschwindigkeit wird häufig der "Zeichendurchsatz" die Anzahl der Zeichen pro Sekunde verwendet. Heute ist es möglich, über 1200 Zeichen pro Sekunde bei einer Zeichenhöhe von 2 mm zu schreiben. T335DE.DOC Bearbeitungsparameter 39

40 Fokuslage und Fokusdurchmesser Strahlaufweitung Über das Strahlaufweitungssystem in der Regel Galilei-Teleskope kann der Fokusdurchmesser und die Fokuslage verändert werden. Eine hohe Leistungsdichte im Fokus ergibt sich, wenn der Strahl stark aufgeweitet wird und am Ende der Strahlführung mit einer Optik geringer Brennweite wieder fokussiert wird. Eine hohe Leistungsdichte erzeugt eine feine und tiefe Beschriftung. Sie ist daher vor allem bei Gravuren erwünscht. Ein großer Fokusdurchmesser mit geringerer Leistungsdichte ist beispielsweise beim Schäumen von Kunststoffen erwünscht. Brennweite und Tiefenschärfe Durch die Brennweite des Objektivs sind Fokusdurchmesser, Schriftfeldgröße und der Arbeitsabstand festgelegt (siehe Seite 29ff). Die Rayleighlänge eines Linsensystems ist ein Maß für die Tiefenschärfe. Sie ist definiert als der Abstand vom Fokus in Strahlrichtung, bei dem der Strahldurchmesser um den Faktor 2 zugenommen hat, was einer Verdoppelung der Querschnittsfläche entspricht. Dieser Wert ist abhängig von der Wellenlänge des Lasers und von der Brennweite der Linse. Je größer die Brennweite ist, um so größer ist auch die Tiefenschärfe Laserstrahl 2 Fokussieroptik Zur Definition der Rayleighlänge 3 Werkstückebene 4 Rayleighlänge Fig Arbeitsabstand Im Normalfall sollte der Fokus genau auf der Werkstückoberfläche liegen. Der Arbeitsabstand wird also durch die Brennweite der Fokussieroptik festgelegt. Wie stark die Lage des Fokus von der idealen Lage auf der Oberfläche abweichen darf, ist abhängig vom bearbeiteten Material. Beim Beschriften von Kunststoffen ist die Lage des Fokus relativ unkritisch (Toleranz: einige mm). Bei der Beschriftung von Metallen muss der Fokus sehr genau auf der Materialoberfläche liegen (Toleranz: <1 mm). 40 Bearbeitungsparameter T335DE.DOC

41 Strahlqualität Strahlparameterprodukt Einfluss der Strahlqualität auf die Beschriftung Modenblende Ein Maß für die Strahlqualität und die Fokussierbarkeit ist das sogenannte Strahlparameterprodukt q (siehe Seite 26). Es gilt: Je kleiner das Strahlparameterprodukt ist, um so besser ist die Strahlqualität und um so besser lässt sich der Strahl fokussieren. Das Strahlparameterprodukt wird in "mm mrad" angegeben. Je besser der Strahl fokussierbar ist, um so geringer (feiner) wird der Fokusdurchmesser (bei gleichbleibender Brennweite). Die Fein-heit spiegelt sich in der Beschriftung wider: je kleiner das Strahlparameterprodukt ist, um so feiner wird die Strichstärke. Außerdem steigt die Leistungsdichte bei kleinerem Spot, so dass höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten erzielt werden können. Eine Modenblende im Strahlgang innerhalb des Resonators verändert die transversale Energieverteilung und damit die Strahlqualität des Laserstrahls: ø ø Durchmesser des Laserstrahls Strahlprofil Fig links: mit Modenblende (Monomode); rechts: ohne Modenblende (Multimode) Die beiden Betriebsarten Monomode und Multimode unterscheiden sich in Strahlqualität und Leistung: x Im Monomode-Betrieb erzeugt der Laser einen Laserstrahl mit der bestmöglichen Strahlqualität (TEM 00 -Mode). Der Laserstrahl kann optimal fokussiert werden; die Leistungsdichte im Fokus ist maximal. Da ein Teil der Laserwirkung durch die Modenblende abgeschirmt wird, ist die Laser-Ausgangsleistung im Monomode-Betrieb jedoch geringer als im Multimode-Betrieb. x Im Multimode-Betrieb erzeugt der Laser die höchste Laserleistung. Die Strahlqualität ist jedoch geringer als im Monomode-Betrieb. T335DE.DOC Bearbeitungsparameter 41

42 6. Anwendungen 6.1 Metalle beschriften Eigenschaften Metalle sind gekennzeichnet durch ihre feste Gitterstruktur und frei bewegliche Elektronen, die auch als Elektronengas bezeichnet werden. Das Elektronengas macht die Metalle undurchsichtig und zu guten elektrischen Leitern. Trifft ein Laserstrahl auf die Oberfläche eines Metalls, dann tritt er in Wechselwirkung mit dem Elektronengas: ein bestimmter Anteil des Laserlichtes wird absorbiert und kann mit dem Metall wechselwirken. Der Rest des Laserlichtes wird reflektiert. Absorptionsgrad der Metalle Der Absorptionsgrad ist abhängig von: x Material. x Wellenlänge des Laserlichts. x Oberflächen-Beschaffenheit des Materials. x Einfallswinkel des Laserlichts. Festkörperlaser 355 nm Festkörperlaser 532 nm Festkörperlaser 1064 nm CO 2 -Laser 10,6 µm Absorptionsgrad A Absorptionsgrad der Metalle bei senkrechtem Einfall auf polierter Oberfläche Fig Der absorbierte Anteil des Laserlichtes führt je nach Intensität und Einwirkzeit zur Erwärmung der Oberfläche oder zum Schmelzen und Verdampfen des Werkstoffes an der Oberfläche. 42 Anwendungen T335DE.DOC

43 Anlassen Das Material wird lokal bis unterhalb seines Schmelzpunktes erwärmt. Dabei verändert sich die Struktur des Gitters, was sich durch Auftreten von mehr oder weniger intensiven Anlassfarben äußert. Anlassfarben sind bis etwa 200 C temperaturstabil. Bei höheren Temperaturen bildet sich das Gitter wieder in seinen Grundzustand um und die Beschriftung verschwindet. Querschnitt Z B Querschnitt einer Anlassbeschriftung Fig Merkmale Anlassen Bearbeitungstiefe Z µm Bearbeitungsbreite B 2 50 µm Ablenkgeschwindigkeit mm/s Besonderheiten x Oberfläche unbeschädigt. x Hoher Kontrast. x Hohe Dauerleistung notwendig. Tab. 2 Beispiel Anlassbeschriftetes chirurgisches Werkzeug Beim Anlassbeschriften entstehen keine Unebenheiten in der Oberfläche, in denen sich Keime oder Schmutz festsetzen könnten. Fig Die Bearbeitungsbreite ist abhängig von der Fokussieroptik des verwendeten Lasers. T335DE.DOC Anwendungen 43

44 Gravieren Der Laserstrahl dringt aufgrund seines Strahlprofils konusförmig in die Materialoberfläche ein. Die Leistungsdichte des Laserstrahls muss so hoch sein, damit der Werkstoff innerhalb weniger Nanosekunden verdampft. 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 von der Gravurtiefe. Querschnitt Z Z Z B Querschnitt einer Gravur Fig Merkmale Bearbeitungstiefe Z µm Bearbeitungsbreite B 4 50 µm Ablenkgeschwindigkeit Gravieren von Metallen mm/s Besonderheiten x Dauerhaft. x Nachteil: Randaufwurf. x Hohe Leistungsdichte notwendig. Tab. 3 Beispiel Mit dem Laser gefertigte Tiefengravur Fig Im Extremfall bis zu einigen hundert µm. Die Bearbeitungsbreite ist abhängig von der Fokussieroptik des verwendeten Lasers. 44 Anwendungen T335DE.DOC

45 Abtragen einer Deckschicht Beschichtete oder lackierte Metalle können durch Abtragen der Deckschicht beschriftet werden. In diesem Fall tritt der Laserstrahl nicht mit dem Metall in Wechselwirkung, sondern besonders mit der Deckschicht. Deckschichten Die Deckschichten können ganz unterschiedlicher Natur sein. Besonders häufig werden folgende Materialien durch Abtragen beschriftet: x Metalle mit Lackschichten. x Metalle mit Eloxalschichten, z.b. eloxiertes Aluminium. Die Deckschicht sollte die folgenden Merkmale aufweisen: x Hoher Kontrast zum Trägermaterial. x Gutes Absorptionsvermögen für die Wellenlänge des Lasers. x Sehr homogene Schichtdicke. Merkmale Beispiel Bearbeitungstiefe Z 5 < 50 µm Bearbeitungsbreite B 6 50 µm Ablenkgeschwindigkeit Abtragen einer Deckschicht mm/s Besonderheiten x Hoher Kontrast. x Hohe Geschwindigkeit. Tab. 4 Typenschild Fig Entspricht der Schichtdicke. Die Bearbeitungsbreite ist abhängig von der Fokussieroptik des verwendeten Lasers. T335DE.DOC Anwendungen 45

46 6.2 Kunststoffe beschriften Eigenschaften Strukturen Kunststoffe sind synthetisch erzeugte, organische Werkstoffe. Sie bestehen mit Ausnahme der Silikone aus Kohlenstoffverbindungen, die zu Makromolekülen zusammengelagert sind. Man unterteilt die Kunststoffe nach ihrem inneren Aufbau in drei Gruppen: x Thermoplaste x Duroplaste x Elastomere Thermoplaste bestehen aus fadenförmigen Makromolekülen, die ineinander verschlungen sind und keine Quervernetzungen besitzen. Bei Raumtemperatur sind Thermoplaste hart. Mit steigender Temperatur werden sie zuerst weich, dann flüssig, schließlich zersetzen sie sich. Im weichen oder flüssigen Zustand sind sie fast beliebig verformbar. Duroplaste bestehen aus Makromolekülen, die an vielen Vernetzungsstellen engmaschig miteinander verknüpft sind. Bei Erwärmung verändern sie ihre mechanischen Eigenschaften nur wenig, da die Quervernetzungen keine Verschiebung der Makromoleküle zulassen. Bei sehr starker Erwärmung zersetzen sich Duroplaste ohne vorher weich oder flüssig zu werden. Elastomere sind gummielastische Kunststoffe. Sie sind aus Makromolekülen aufgebaut, die weitmaschig miteinander verknüpft sind. Durch Erwärmung verändert sich das gummielastische Verhalten nur wenig. Auch Elastomere zersetzen sich bei zu starker Erwärmung, ohne vorher flüssig zu werden. Zusatzstoffe In die Grundstrukturen der Kunststoffe sind Zusatzstoffe unterschiedlichster Art eingelagert: x Füllstoffe wie Ruß, Quarz, Glasfasern. x Verarbeitungshilfsstoffe wie Gleitmittel. x Additive wie chemische Stabilisatoren. x Lösliche organische Farbstoffe. x Farbgebende Pigmente. 46 Anwendungen T335DE.DOC