Technische Information Laserbeschriften, 2006-10

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Technische Information
Laserbeschriften
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Laserbeschriften
Ausgabe: 10/2006
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ist.
Inhaltsverzeichnis
1.
Warum Laserbeschriften?................................................ 7
2.
Prinzip .............................................................................. 10
Wodurch entsteht die Beschriftung?............................ 10
3.
3.1
3.2
3.3
3.4
Verfahren ......................................................................... 14
Vektor-Beschriften............................................................. 14
Masken-Beschriften .......................................................... 15
Raster-Beschriften ............................................................ 16
Verfahren im Vergleich...................................................... 17
Vektor-Beschriften ....................................................... 17
Masken-Beschriften ..................................................... 17
Raster-Beschriften ....................................................... 18
4.
4.1
4.2
4.3
4.4
Beschriftungslaser.......................................................... 19
Systemaufbau ................................................................... 19
Diodengepumpte Festkörperlaser..................................... 20
Lampengepumpte Festkörperlaser ................................... 24
Strahlführung..................................................................... 25
Strahlaufweitung .......................................................... 26
Strahlablenkung ........................................................... 27
Strahlfokussierung ....................................................... 29
Bediensoftware ................................................................. 31
Steuerung .................................................................... 31
Programmierung .......................................................... 32
Ablaufprogrammierung ................................................ 34
Diagnose-Tool und Telepräsenz.................................. 34
4.5
5.
Bearbeitungsparameter.................................................. 36
Laserleistung................................................................ 36
Pulsfolgefrequenz ........................................................ 37
Ablenkgeschwindigkeit................................................. 38
Fokuslage und Fokusdurchmesser.............................. 40
Strahlqualität ................................................................ 41
6.
6.1
Anwendungen ................................................................. 42
Metalle beschriften ............................................................ 42
Eigenschaften .............................................................. 42
Anlassen ...................................................................... 43
Gravieren ..................................................................... 44
Abtragen einer Deckschicht ......................................... 45
Kunststoffe beschriften...................................................... 46
Eigenschaften .............................................................. 46
Verfärben und Ausbleichen.......................................... 49
6.2
T335DE.DOC
Inhaltsverzeichnis
5
6.3
6
Inhaltsverzeichnis
Schäumen .................................................................... 50
Abtragen einer Deckschicht ......................................... 51
Gravieren ..................................................................... 52
Sonstige Werkstoffe beschriften ....................................... 52
T335DE.DOC
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
7
Warum Beschriften?
Industrielle Produktionsgüter werden aus unterschiedlichen Gründen beschriftet. Man unterscheidet:
x Werkstück- oder gerätespezifische Kennzeichnung.
Mit dem Laser beschriftetes Typenschild
x
Funktionsbezogene Kennzeichnung.
Mit dem Laser gekennzeichneter Schalter in Tag&
Nacht-Design
x
Fig. 16551
Kennzeichnung zur Werkstück-Identifikation.
Mit dem Laser gefertigter DataMatrix-Code (2D-Code ECC200, links) und Barcode (EAN13,
rechts)
8
Fig. 16321
Fig. 16547, 16319
T335DE.DOC
x
x
x
x
Anforderungen an eine
industrielle Kennzeichnung
Kennzeichnungen zur Gewährleistung durchgängiger Rückverfolgbarkeit (Produkthaftung).
Kennzeichnung als Imitationsschutz (Firmenlogos).
Farb- und designgebende Kennzeichnungen.
Körnungen und Markierungslinien für nachfolgende Fertigungsschritte.
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
Beschriftungsverfahren
Fig. 16540
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
9
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
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.
1
Laser
2
1
Abgetragene Beschichtung
2
Grundmaterial
Beschriften durch Abtragen
Gravieren
Fig. 16494
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.
1
Laser
2
1
Gravur
2
Grundmaterial
Fig. 16496
Beschriften durch Gravieren
T335DE.DOC
Prinzip
11
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
1
2
1
Verfärbtes Grundmaterial
2
Grundmaterial
Beschriften durch Anlassen
Farbumschlag und
Ausbleichen
Fig. 16497
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
1
2
1
Verfärbtes Grundmaterial
2
Grundmaterial
Beschriften durch Farbumschlag und Ausbleichen
12
Prinzip
Fig. 16497
T335DE.DOC
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
1
2
1
Aufgeschäumtes Grundmaterial
2
Grundmaterial
Beschriften durch Schäumen
Fig. 16495
Hinweis
Ausführliche Informationen zu den Prozessen, die bei der Beschriftung ablaufen, finden Sie auf den Seiten 42 ff.
T335DE.DOC
Prinzip
13
Verfahren
3.
Verfahren
3.1
Vektor-Beschriften
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.
2
3
1
4
5
6
Y
7
X
1
Laser
2
Strahlaufweitung (Teleskop)
3
4
5
Strahlfokussierung (Planfeldobjektiv)
Strahlablenkung, y-Richtung
6
Beschriftungsfeld
(Spiegel)
7
Werkstück
Strahlablenkung, x-Richtung
(Spiegel)
Vektor-Beschriften
14
Verfahren
Fig. 15709
T335DE.DOC
Plotter-Markierer
Große ebene Werkstücke werden auch mit sogenannten PlotterMarkierern 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
Verfahren
Masken-Beschriften
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.
1
1
Schablone
2
Linse
2
3
3
seitenverkehrtes Ebenbild
Masken-Beschriften
T335DE.DOC
Fig. 15706
Verfahren
15
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.
2
1
3
4
7
8
5
Y
6
X
1
2
Laser
3
Motor
4
5
7
Schreibrichtung
(Polygonspiegel)
8
Schnelles Zurückfahren
Strahlfokussierung
(Planfeldobjektiv)
6
Werkstück
Raster-Verfahren: Prinzip (links) und Bildaufbau (rechts)
16
Verfahren
Fig. 16475
T335DE.DOC
3.4
Verfahren im Vergleich
Vektor-Beschriften
Lasertypen
Überwiegend kurzgepulste Festkörperlaser mit Güteschalter (QSwitch). 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 CO2–Laser mit der
Wellenlänge 10,6 µm eingesetzt.
Merkmale
x
x
x
x
x
x
Fazit
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.
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 CO2–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
Merkmale
x
x
x
x
Fazit
Sehr kurze Markierzeit (bei festem Schriftbild).
In Verbindung mit geeigneten Handhabungssystemen sehr
hohe Produktivität.
Gute Qualität der Beschriftung.
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 VektorVerfahren liegt in der deutlich geringeren Flexibilität.
Raster-Beschriften
Lasertypen
Merkmale
1
Überwiegend Festkörper-cw -Laser mit externer Modulation
x Wellenlängen: 1064 nm (nahes Infrarot).
x
x
x
x
x
Fazit
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
18
Verfahren
Zeitvorteil bei sehr hoher Beschriftungsdichte durch den Einsatz von Polygonspiegeln.
Hohe Flexibilität.
Freie Programmierbarkeit.
Kurze Bearbeitungszeiten durch sehr hohe Ablenkgeschwindigkeiten.
Geringere Qualität der Beschriftung durch den gerasterten
Bildaufbau.
cw = continuous wave (kontinuierlicher Strahl)
T335DE.DOC
4.
Beschriftungslaser
4.1
Systemaufbau
Beschriftungslaser von TRUMPF arbeiten nach dem VektorBeschriftungsverfahren.
1
2
4
5
3
6
7
8
Y
9
1
X
Beschriftungsprogramm
6
Galvanometerspiegel X-Rich-
2
Steuerung
3
Laser
7
tung
4
8
Beschriftungsfeld
5
Galvanometerspiegel Y-Rich-
9
Werkstück
Planfeldlinse
tung
Fig. 27601
Aufbau eines Laserbeschrifters
Laser und Strahlführung
T335DE.DOC
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.
Beschriftungslaser
19
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
1
2
3
4
5
6
Beschriftungslaser
8
1
Pumplichtquelle
6
Laserstab
2
Lichtleitfaser
7
Güteschalter (Q-Switch)
3
Pumplicht
8
Auskoppelspiegel
4
Pumplichtführung
9
Ausgekoppelter Laserstrahl
5
Endspiegel
Diodengepumpter Festkörperlaser für Beschriftungsaufgaben: Aufbau (am Bsp. eines endgepumpten
Lasers)
20
7
9
Fig. 27051
T335DE.DOC
Prinzip
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 20-30 % - aus dem Laser aus und
steht als Werkzeug für das Beschriften zur Verfügung.
Laserstab
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.
Optische Anregung:
Pumpen mit Laserdioden
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
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
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
Der Q-Switch hat zwei wichtige Funktionen:
x Präzises und schnelles Ein- und Ausschalten des Laserstrahls.
x Beeinflussung von Pulsdauer und Pulsspitzenleistung.
Frequenzverdopplung,
Frequenzverdreifachung
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.
Justage
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
4.3
Lampengepumpte Festkörperlaser
Aufbau
2
3
1
5
1
Lasermedium Nd:YAG-Kristall
2
Pumplichtquelle
3
Totalreflektierender Spiegel
6
4
Teildurchlässiger Spiegel
(Auskoppelspiegel)
5
Güteschalter (Q-Switch)
6
Blende
Aufbau eines lampengepumpten Festkörpers
Optische Anregung mit
Pumplampen (z.B. KryptonBogenlampen):
4
Fig. 15704
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
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
2
3
1
4
5
6
Y
7
X
1
Laser
2
3
6
Beschriftungsfeld
(Spiegel)
7
Werkstück
4
5
Strahlfokussierung (Planfeldlinse)
(Spiegel)
Der Weg des Laserstrahls
Fig. 15709
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 YRichtung 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
Strahlaufweitung
Zur Charakterisierung der Fokussierbarkeit eines Laserstrahls
wurde das Strahlparameterprodukt eingeführt. Es wird aus den optischen Größen Divergenz und Strahldurchmesser berechnet:
Strahlparameterprodukt q
3
@ .
B
4
Divergenz
dF
Strahldurchmesser an der
f
Brennweite
Strahltaille
Strahlparameter
Fig. 9713
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·dF)/4
4
Divergenz
Einheit des Strahlparameterprodukts
dF
Strahldurchmesser an der
Strahltaille
q:
mm mrad
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
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
f1
f2
Kepler
f1
f2
Strahlaufweitungssystem
Fig. 27648
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
Das Prinzip
1
2
4
3
5
6
1
Spiegel
4
Torsionsstab (magnetisch)
2
Kugellager
5
Magnetspule
3
Eisen als Magnetkern
6
Positionsdetektor
Galvanometerspiegel: Das Prinzip
Fig. 15728
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
28
Beschriftungslaser
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.
T335DE.DOC
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
1
2
3
f
4
1
Spiegel
4
Fokussierebene
2
Laserstrahl
f
Brennweite
3
Linse
Planfeldlinse und Standardlinse
x
Fig. 15737
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).
1
2
3
4
1
Laser
3
Planfeldobjektiv
2
Galvanometerspiegel
4
Fokussierebene
Planfeldlinse: Abbildungseigenschaften
T335DE.DOC
Fig. 15739
Beschriftungslaser
29
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 StandardOptiken
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
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:
1
6
5
4
2
3
1
2
Menüleiste
3
Kommunikation mit Ablaufprogrammen
4
Editor zur Erstellung von Be-
5
Parameteranzeige
schriftungsprogrammen
6
Bereitschafts- und Warnanzeige
Statusanzeige
Gliederung der Bedienoberfläche
T335DE.DOC
Fig. 15718
Beschriftungslaser
31
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 GrafikEditor 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
32
Beschriftungslaser
Fig. 27743
15717
T335DE.DOC
x
Erzeugen von Barcodes
Fig. 25926
Mit dem Laser gefertigter Barcode
Fig. 16319
Erzeugen von Seriennummern
Fig. 19166
x
T335DE.DOC
Funktionen zur Erstellung von Seriennummern, Barcodes und
DataMatrix-Codes:
Die Multitaskingfunktion erlaubt das Aufbereiten von Daten
während des Beschriftungsvorganges.
Beschriftungslaser
33
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 AP650306
Quickflow
Fig. 25306
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
Feststellen lässt sich:
x Ob Statussignale und Betriebswerte korrekt sind.
x Wo eventuelle Ursachen von Überwachungs- oder Störungsmeldungen liegen.
Oberfläche Diagnose-Tool
Telepräsenz
T335DE.DOC
Fig. 25309
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.
Beschriftungslaser
35
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.
P [W]
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:
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
22
24
26
28
30
32
34
I [A]
Einfluss des Anregungsstromes I auf die Ausgangsleistung P des Lasers am Beispiel eines diodengepumpten Festkörperlasers (TEM00-Mode)
36
Fig. 27649
T335DE.DOC
Pulsfolgefrequenz
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:
Abtragen
ca. 1020 kHz
Pav [W]
Ppk [kW]
Gravieren
ca. 1...10 kHz
Verfärben und
Anlassen
> 20 kHz
50
28
Ppk
40
26
30
24
20
22
WH
10
WH [ns]
Pulsdauer und
Pulsspitzenleistung
Pav
20
0
1
2
10
20
fp [kHz]
WH
Ppk Pulsspitzenleistung
Pav Mittlere Leistung
Pulsdauer
Pulsdauer, Pulsspitzenleistung und mittlere Leistung
Fig. 27590
P
Ppk1
1
1
fp1
1
fp2
WH1
WH2
Ppk2
2
Pav
t
Ppk Pulsspitzenleistung
Pav Mittlere Leistung
WH
Pulsdauer
fp
Pulsfolgefrequenz
1
Hohe Pulsspitzenleistung bei
niedriger Pulsfolgefrequenz
2
Niedrige Pulsspitzenleistung bei
hoher Pulsfolgefrequenz
Pulsdauer, Pulsspitzenleistung und mittlere Leistung
T335DE.DOC
Fig. 26530
37
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. 15707
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
T335DE.DOC
Ablenkgeschwindigkeit und
Vektorlänge
Eine Beschriftung stellt einen Linienzug dar, der aus kurzen oder
längeren Geradenstücken – den Vektoren – zusammengesetzt
wird.
Bildaufbau
Fig. 15708
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
T335DE.DOC
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.
39
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.
3
2
1
4
1
Laserstrahl
3
Werkstückebene
2
Fokussieroptik
4
Rayleighlänge
Zur Definition der Rayleighlänge
Arbeitsabstand
Fig. 16490
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
T335DE.DOC
Strahlqualität
Strahlparameterprodukt
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.
Einfluss der Strahlqualität auf
die Beschriftung
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.
Modenblende
Eine Modenblende im Strahlgang innerhalb des Resonators verändert die transversale Energieverteilung und damit die Strahlqualität des Laserstrahls:
ø
ø

Durchmesser des Laserstrahls
Strahlprofil
links:
mit
Modenblende
(Monomode);
rechts: ohne Modenblende (Multimode)
Fig. 15705
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 (TEM00-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
41
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 532 nm
CO2-Laser
10,6 µm
Absorptionsgrad A
Absorptionsgrad der Metalle bei senkrechtem Einfall
auf polierter Oberfläche
Fig. 26529
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
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.
Z
Querschnitt
B
Fig. 16543
Querschnitt einer Anlassbeschriftung
Merkmale
Anlassen
Bearbeitungstiefe Z
30-50 µm
2
Bearbeitungsbreite B
50 µm
10...100 mm/s
Besonderheiten
x
x
x
Oberfläche unbeschädigt.
Hoher Kontrast.
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.
2
T335DE.DOC
Fig. 16322
Die Bearbeitungsbreite ist abhängig von der Fokussieroptik des verwendeten Lasers.
Anwendungen
43
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.
Z
Z
Z
Querschnitt
B
Querschnitt einer Gravur
Merkmale
Fig. 16544
Gravieren von Metallen
3
Bearbeitungstiefe Z
1-100 µm
4
50 µm
50...400 mm/s
Besonderheiten
x
x
x
Dauerhaft.
Nachteil: Randaufwurf.
Hohe Leistungsdichte notwendig.
Tab. 3
Beispiel
Mit dem Laser gefertigte Tiefengravur
3
4
44
Anwendungen
Fig. 27574
Im Extremfall bis zu einigen hundert µm.
T335DE.DOC
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
5
Bearbeitungstiefe Z
< 50 µm
6
50 µm
500...1500 mm/s
Besonderheiten
x
x
Hoher Kontrast.
Hohe Geschwindigkeit.
Tab. 4
Beispiel
Fig. 16627
Typenschild
5
6
T335DE.DOC
Entspricht der Schichtdicke.
Anwendungen
45
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
46
Anwendungen
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.
T335DE.DOC
Absorptionsverhalten
Das makromolekulare Grundgerüst – die Matrix – der Kunststoffe
absorbiert in der Regel im ultravioletten Bereich und im fernen
Infrarot-Bereich. Die unterschiedlichen Zusatzstoffe absorbieren in
unterschiedlichen Wellenlängenbereichen. Zusatzstoffe wie Ruß
oder Brandschutzmittel absorbieren im nahen Infrarot-Bereich – sie
können demnach auch die Wellenlänge des Festkörperlasers
absorbieren. Farbstoffe absorbieren im sichtbaren Bereich– hier
wird sinnvollerweise der frequenzverdoppelte (grüne) Festkörperlaser eingesetzt.
Festkörperlaser
O = 355 nm
Frequenzverdoppelter Festkörperlaser O = 532 nm
Festkörperlaser
O = 1064 nm
C02 - Laser
O = 10,64 Pm
1
Absorptionsgrad A
0.80
1
2
0.60
0.40
3
0.20
0
0,1
0,5
1
10
O [Pm]
O
Wellenlänge des Lasers
1
Polymermatrix
2
Pigment
3
Füllstoff
Absorptionsverhalten der Kunststoff-Bestandteile
Fig. 16493
Ist der Kontrast der Beschriftung oder die Beschriftungsgeschwindigkeit zu gering, besteht die Möglichkeit, dem Kunststoff spezielle
lasersensitive Additive zuzusetzen.
Gut lasermarkierbare
Kunststoffe für
Festkörperlaser
T335DE.DOC
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
PC (Polycarbonat)
ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)
POM (Polyoxymethacrylat)
PUR (Polyurethane)
PP (Polypropylen)
PE (Polyethylen)
PS (Polystyrol)
PBT (Polybutadien-Terephtalat)
PA (Polyamid)
PVC (Polyvinylchlorid)
Anwendungen
47
Beschriftung mit dem Laser
Die Kombination der Zusatzstoffe entscheidet, wie gut ein Kunststoff mit dem Laser beschriftet werden kann. Oft lässt sich auch
durch die geringfügige Veränderung eines Zusatzstoffes – zum
Beispiel eines Farbstoffes – die Beschriftbarkeit deutlich verbessern. Entscheidend ist, dass die Wellenlänge des Lasers vom
Material absorbiert werden kann.
Man unterscheidet vier verschiedene Arten der Beschriftung von
Kunststoffen:
x Farbwechsel unter der Oberfläche (Verfärben oder Bleichen).
x Gravieren: Materialabtrag von Matrixmaterial der Oberfläche
(durch starke Wärmezufuhr).
x Oberflächenänderung (Schäumen oder Schmelzen).
x Abtragen von aufgetragenen Schichten.
Verfärben
Gravieren
Schäumen
Beschriften von Kunststoffen
48
Anwendungen
Fig. 27576-27578
T335DE.DOC
Verfärben und Ausbleichen
Wenn Werkstoff und Laserwellenlänge optimal aufeinander abgestimmt sind, können die Farbstoffmoleküle gezielt verfärbt oder
ausgebleicht werden. Dieses Verfahren ist für Werkstoff und Oberfläche ganz besonders schonend. Es setzt jedoch gründliche Voruntersuchungen und eine optimale Abstimmung der Werkstoffzusammensetzung auf die Laserwellenlänge voraus.
Merkmale
Verfärben und Ausbleichen
Bearbeitungstiefe Z
50 - 100 µm
7
50 µm
200 –1000 mm/s
Besonderheiten
unversehrte Oberfläche
dauerhafte Beschriftung
Tab. 5
Beispiel
Beschriftung durch Farbumschlag
7
T335DE.DOC
Fig. 16550
Anwendungen
49
Schäumen
Das Matrixmaterial des Kunststoffes wird kurzzeitig zum Schmelzen gebracht, wobei Ausgasungen entstehen. Beim Abkühlen
werden kleine Gasblasen eingeschlossen, an denen das einfallende Licht diffus reflektiert wird. Es entsteht eine erhabene
Markierung, die relativ breit ist. Eine hohe Ortsauflösung ist mit diesem Verfahren nicht möglich.
Querschnitt
Schäumen: Querschnitt einer Markierung
Merkmale
Fig. 16541
Schäumen
8
Bearbeitungstiefe Z
±200 µm
9
100 µm
200-1000 mm/s
Besonderheiten
erhabene Markierung
Tab. 6
Beispiel
Beschriften durch Schäumen
8
9
50
Anwendungen
Fig. 16626
Tiefe und Höhe.
T335DE.DOC
Mehrschichtige Kunststoffe können durch Abtragen einer dünnen
Deckschicht beschriftet werden (Lackierung oder Laser-Beschriftungsfolien, das sind in der Regel für die Laserbeschriftung
optimierte Mehrschichtfolien).
Die Deckschicht sollte die folgenden Merkmale aufweisen:
x Hoher Kontrast zwischen Deckschicht und Trägermaterial.
x Gutes Absorptionsvermögen für die Wellenlänge des Lasers.
x Sehr homogene Schichtdicke.
Merkmale
Bearbeitungstiefe Z
20-50 µm
50 µm
400-1500 mm/s
Tab. 7
Beispiele
T335DE.DOC
Beschriftung durch Abtragen einer Deckschicht:
Kfz-Bedienelemente im Tag&Nacht-Design
Fig. 16324
Laserbeschriftungsfolie
Fig. 27575
Anwendungen
51
Gravieren
Thermoplaste haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine
niedrige Schmelztemperatur. Sie können daher schon bei geringer
Laserintensität graviert werden. Durch thermische Ausdehnung
oder durch das Aufplatzen des Materials kann jedoch auch hier –
wie bei Metallen – ein Randaufwurf entstehen.
Merkmale
Gravieren von Kunststoffen
Bearbeitungstiefe Z
30-50 µm
50 µm
200-1000 mm/s
Tab. 8
6.3
x
x
x
52
Anwendungen
Sonstige Werkstoffe beschriften
Neben Metallen und Kunststoffen können auch Keramiken und
Sinterwerkstoffe mit dem Laser beschriftet werden. Das Verfahren hat vor allem dort Vorteile, wo mechanische Prozesse
aufgrund der hohen Werkstoffhärte an ihre Grenzen stoßen.
Auf Naturwerkstoffen, wie zum Beispiel Holz und Stein, ist aufgrund des partiell unterschiedlichen Absorptionsverhaltens
eine gleichmäßige Markierung schwierig.
Glas absorbiert Licht der Wellenlängen 1064 nm, 532 nm und
355 nm praktisch nicht und kann daher mit dem Festkörperlaser nicht beschriftet werden.
T335DE.DOC
Index
A
E
Ablaufprogrammierung ................................. 34
Ablenkgeschwindigkeit.................................. 38
x
Und Pulsfolgefrequenz ........................... 38
x
Und Vektorlänge..................................... 39
Absorptionsgrad
x
Kunststoffe.............................................. 47
x
Metalle .................................................... 42
Abtragen.................................................. 11, 45
Anlassen ................................................. 12, 43
Arbeitsabstand .............................................. 40
Ausbleichen .................................................. 12
Einflussgrößen .............................................. 36
Elastomere .................................................... 46
Erstpuls ......................................................... 38
B
Bearbeitungsparameter ................................ 36
Bediensoftware ............................................. 32
x
Datenübernahme.................................... 32
Beschriften
x
Anforderungen.......................................... 9
x
Warum ...................................................... 8
Beschriftung
x
Entstehung ............................................. 10
Beschriftungslaser
x
Anlagen .................................................. 19
Beschriftungsverfahren ................................... 9
Brennweite
x
Des Planfeldobjektivs ............................. 40
F
Farbumschlag................................................ 12
Festkörperlaser
x
Diodengepumpte .................................... 20
x
Lampengepumpte................................... 24
Fokusdurchmesser........................................ 40
Frequenzverdopplung ................................... 23
Frequenzverdreifachung ............................... 23
G
Galilei-Teleskop............................................. 27
Gravieren................................................. 11, 44
x
Kunststoffe.............................................. 52
Güteschalter .................................................. 22
K
C
CAD-Daten
x
Datenübernahme.................................... 32
D
Diagnose-Tool............................................... 34
Diodengepumpter Beschriftungslaser
x
Aufbau .................................................... 20
Divergenz 4 .................................................. 26
Duroplaste..................................................... 46
T335DE.DOC
Kepler-Teleskop ............................................ 27
Kühlung
x
Diodengepumpte Festkörperlaser .......... 22
x
Lasergepumpte Festkörperlaser............. 24
Kunststoffe .................................................... 46
x
Absorptionsverhalten .............................. 47
x
Abtragen ................................................. 51
x
Ausbleichen ............................................ 49
x
Beschriftung mit dem Laser .................... 48
x
Gravieren ................................................ 52
x
Gut lasermarkierbare Kunststoffe........... 47
x
Schäumen............................................... 50
x
Verfärben ................................................ 49
Index
53
L
R
Lampengepumpter Beschriftungslaser
x
Aufbau .................................................... 24
Laserbeschriften ............................................. 7
x
Prinzip..................................................... 10
x
Verfahren................................................ 14
x
Vorteile ..................................................... 7
Laserbeschrifter
x
Anlagen .................................................. 19
Laserleistung................................................. 36
Lasermedium
x
Festkörperlaser....................................... 21
Raster-Beschriften......................................... 16
M
Masken-Beschriften ...................................... 15
Metalle........................................................... 42
x
Absorptionsgrad ..................................... 42
Modenblende ................................................ 41
Monomode .................................................... 41
Multimode...................................................... 41
S
Schäumen ..................................................... 13
Schriftfeldgröße ............................................. 40
Spitzenleistung .............................................. 37
Strahlaufweitung...................................... 26, 40
Strahlfokussierung......................................... 29
Strahlführung................................................. 27
Strahlparameterprodukt .......................... 26, 41
Strahlprofil ..................................................... 41
Strahlqualität ................................................. 22
Strahlteleskop................................................ 27
T
Telepräsenz................................................... 35
Thermoplaste ................................................ 46
O
Optische Komponenten ................................ 25
P
Prinzip
x
Laserbeschriften ..................................... 10
Programmierung ........................................... 32
Prozessparameter......................................... 36
Pulsdauer ...................................................... 37
Pulsfolgefrequenz ......................................... 37
x
Einfluss auf die Beschriftung .................. 37
x
Und Ablenkgeschwindigkeit ................... 38
Pumpquelle
x
Lampen................................................... 24
x
Laserdioden............................................ 21
V
Vektor-Beschriften......................................... 14
x
Anlagen................................................... 19
Verfahren
x
Laserbeschriften ..................................... 14
x
Masken-Beschriften ................................ 15
x
Raster-Beschriften .................................. 16
x
Vektor-Beschriften .................................. 14
W
Werkstoffe ..................................................... 42
Y
Q
YAG-Laser......................Siehe Festkörperlaser
Q-Switch........................................................ 22
Q-Switch-Frequenz .... Siehe Pulsfolgefrequenz
54
Index
T335DE.DOC
Z
Zusatzstoffe
x
In Kunststoffen........................................ 46
T335DE.DOC
Index
55