Laserbeschriftung:Geht ans Ziel

Lasermarkierung geht unter Wasser, unter Oberflächen und ultraschnell.

Der etablierte Bereich der Lasermarkierung geht weiterhin neue Wege mit erweiterten Geschäftsmöglichkeiten in der Automobil-, Öl- und Gas-, Medizin- und anderen Industrien.

Ultrakurzpulslaser – solche im Pikosekunden- und Femtosekundenbereich – entwickeln sich zu Schlüsselspielern in einigen besonders heiklen, staatlich vorgeschriebenen medizinischen Anwendungen. Neue proprietäre Softwareversionen und kundenspezifische Kennzeichnungssysteme werden zunehmend nachgefragt. Und eine wichtige neue Partnerschaft zwischen einem relativ jungen Systemanbieter und einem weltweit führenden Anbieter von Kabeln und Kabelbäumen demonstriert weiter die robuste Dynamik der Lasermarkierung.

Und im Zuge der Industrie 4.0 werden neue Automatisierungsmaßnahmen eingeführt, um den Durchsatz von lasermarkierten Produkten zu erhöhen.

Obwohl die dekorative Lasermarkierung schon seit einiger Zeit im Einsatz ist, macht der wachsende Bedarf an Markenschutz durch Track-and-Trace-Markierung komplexer Codes auf einer breiten Palette hochwertiger Teile die Technologie wichtiger denn je.

Zusammenwachsen

Für das in Finnland ansässige Unternehmen Cajo Technologies sieht das Jahr 2019 so aus, dass es die Dynamik des letzten Jahres mit einer neuen Vertriebs- und Vertriebspartnerschaft mit dem Draht- und Kabelbaumgiganten Anixter fortsetzt und die Arbeit mit Unterwasserkabeln ausweitet.

Diese Branchen verlassen sich stark auf die schnelle On-the-Fly-Markierung, die laut Präsident Ismo Rantala die am schnellsten wachsende Anwendung von Cajo bleibt. Cajo ist seit 2010 im Geschäft und hat seinen US-Hauptsitz in New Orleans. Cajo bezeichnet sich selbst als den schnellsten Lasermarkierer der Welt – was die Aufmerksamkeit von Anixter eindeutig auf sich zog.

Anixter „ist der größte Kabelhändler der Welt“, erklärte Rantala, „und sie haben Kabel im Wert von über 1 Milliarde US-Dollar auf der ganzen Welt auf Lager.“ Indem Anixter das Know-how von Cajo ins Haus bringt, schafft Anixter einen Mehrwert für seine Kunden, die entweder vormarkierte Drähte oder ein Cajo-Markierungssystem direkt vom Drahtlieferanten beziehen können.

„Die Draht- und Kabelbaumindustrie hat herausgefunden, dass die Markierung im laufenden Betrieb die Zukunft der Markierung von allem ist, was sie tut“, sagte Rantala. Er stellte fest, dass 90 Prozent der Ausfallzeiten bei Markierungsanwendungen typischerweise auf den Ausfall verstopfter Tintenmaschinen zurückzuführen sind. Im Gegensatz dazu haben Laser keine Verbrauchsmaterialien und können
100.000 Stunden laufen, sagte er.

In der Zwischenzeit verstärkt Cajo – das hauptsächlich an OEMs verkauft – seine proprietäre Software-Suite und stellt sie in den gleichen Bereich wie Trumpf und Rofin. Das neueste Designangebot des Unternehmens ist CajoCAD 3.0. Laut Rantala liegt die Einstellungspriorität von Cajo im Moment bei Softwareingenieuren, mit dem Ziel, die Geschwindigkeit der Drahtmarkierung auf der Grundlage der von den größten Drahtherstellern der Branche geforderten Spezifikationen weiter zu verbessern.

Kontinuierliche Innovation ist Cajo besonders wichtig wegen der Nachfrage nach seinen Systemen zur Markierung von Unterwasserkabeln zwischen Bohrinseln und dem Festland. Diese kunststoffbeschichteten Kabel können bis zu 80 km (49 Meilen) lang sein, wie im Fall der faseroptischen Strom- und Flüssigkeitsleitungen, die von der norwegischen Firma Aker Solutions für die Energieindustrie hergestellt werden. Mehrere einzelne Kabel können in einem größeren Kabel untergebracht werden.

Für Aker hat Cajo eine Markierungszelle mit drei Lasern entwickelt, die Markierungen in 120o-Schritten um das Kabel herum anbringt, sodass die Markierungen, die den Projektnamen und die Kabellänge anzeigen, aus jedem Winkel sichtbar sind. Da sich die Glasfaserkabel nicht verdrehen und richtig funktionieren können, sorgt eine einzelne markierte Linie oben dafür, dass sie in ihrer richtigen Ausrichtung bleiben. Andere Markierungen geben die Entfernung an, die ein bestimmter Abschnitt des Kabels vom Schiff, der Bohrinsel oder dem Festland entfernt ist. „Das ist für die Fehlersuche; Wenn etwas mit einem Kabel passiert, können sie den Fehler anpingen und ihn beheben.“

In Bezug auf die Laser in seinen Systemen verlässt sich Cajo auf Fasereinheiten, die „99 Prozent der Materialien markieren können“, behauptete Rantala. „Wir können mit Lasern Verlegelinien und sequentielle Markierungen für Unterwasserkabel auf PVC und anderen Materialien markieren, und das hat bei Unternehmen, die diese Produkte herstellen, Aufsehen erregt.“

Kurz und scharf

In einem weit kleineren Maßstab in Bezug auf die Teilegröße beginnt die medizinische Gemeinschaft, ultraschnelle oder ultrakurz gepulste Laser im Pikosekunden- und sogar Femtosekundenbereich einzusetzen, um dauerhafte eindeutige Gerätekennungen (UDIs) auf Edelstahlgeräten zu markieren.

Obwohl Nanosekundenlaser seit einiger Zeit erfolgreich bei der Kennzeichnung von Produkten eingesetzt werden, bemerkt Thorsten Ferbach, Business Development Manager bei Coherent-Rofin, Santa Clara, Kalifornien, kann ihre Wirkung auf Edelstahl bei wiederholtem Autoklavieren zu Korrosion führen. Obwohl Pikosekundenlaser also eine erhebliche Investition darstellen, machen sie sich bei der Herstellung hochwertiger medizinischer Geräte mehr als bezahlt – wo ein Ausfall keine Option ist.

Grundlage dieser Technologie ist die im September 2018 in Kraft getretene FDA-Verordnung, die vorschreibt, dass Medizinprodukte, die mehrere Sterilisationsrunden erfordern, Spuren aufweisen, die sich im Laufe der Zeit nicht verschlechtern. Die Regelungen sollen gewährleisten, dass Ärzte weltweit auf die in diesen Marken verschlüsselten Daten zugreifen können. Fehler beim Lesen dieser Codes erzeugen Aufzeichnungen in der FDA-Datenbank, erklärte Ferbach, und zu viele Berichte für ein bestimmtes Produkt können dazu führen, dass die FDA die Produktion im Rahmen einer größeren Untersuchung einstellt.

Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, hat Coherent-Rofin seinen Pikosekundenlaser Rapid NX optimiert, erklärte Ferbach. Im Gegensatz zu Nanosekundenlasern, die dunkle Markierungen erzeugen, indem sie schwarzes Oxid auf der Oberfläche eines Materials erzeugen, verändert die Pikosekundenmarkierung die Nanostruktur unter der Oberfläche von Materialien wie Edelstahl 1.4301, wodurch Licht eingefangen und absorbiert wird, um kontrastreiche Markierungen zu erzeugen.

„Sie ähnelt im Prinzip der Schutzhaut von Tarnkappen-Kampfjets“, erklärt Ferbach. „Wenn Sie diese Haut Radarstrahlen aussetzen, gibt es keine Reflexion; das Flugzeug wird unsichtbar.“ Mit einem Edelstahlgerät absorbieren die mit dem Pikosekundenlaser behandelten Bereiche Licht und erscheinen als dunkle Flecken. Und im Gegensatz zu einer Oxidmarkierung, deren Aussehen sich je nach Betrachtungswinkel ändern kann, sieht die schwarze Untergrundmarkierung aus allen Blickwinkeln gleich aus.

In Bezug auf den Durchsatz und die Möglichkeit, den Markierungsprozess zu überwachen, gebe es bei dieser Anwendung keinen Unterschied zwischen dem Nanosekunden- und dem Pikosekundenlaser, stellte er fest. Doch bevor ein Kunde mit einem Projekt beginnt, führt Coherent-Rofin eine Machbarkeitsstudie durch. Dadurch wird sichergestellt, dass der Pikosekundenlaser mit den richtigen Parametern für die Aufgabe arbeitet und dass der Kunde die vorbeugenden Wartungsmaßnahmen für diese intern wassergekühlten Einheiten versteht.

Außerhalb von Medizinprodukten haben andere Branchen das Potenzial, die Präzision von Ultrakurzpulslasern für die Markierung zu nutzen.

Modernes Küchendesign mit seinem Fokus auf Edelstahlgeräten sei ein idealer Kandidat, bemerkte Ferbach. „Edelstahlgegenstände sind entweder geätzt oder bedruckt“, erklärte er. Hersteller in dieser Branche vermeiden derzeit Nanosekundenlaser aufgrund der oben erwähnten Variabilität, wie schwarze Markierungen erscheinen, wenn sie aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet werden. „Hier müssen wir den Markt noch über die Vorteile ultraschneller Laser aufklären.“

Neben Geräten, fuhr er fort, setzen auch OEMs der Unterhaltungselektronik auf Ultrafast.

In Bezug auf Materialien können Pikosekundenlaser auch auf Titan markieren, insbesondere für Implantate; eloxiertes Aluminium, häufig in orthopädischen Geräten verwendet; und PEEK- und PPSU-Kunststoffe.

Portfolio und Märkte erweitern

Dapra Marking Systems aus Bloomfield, Connecticut, begann vor etwa zwei Jahren mit der Herstellung seiner eigenen Lasersysteme, um von zahlreichen Möglichkeiten zu profitieren, die von großen OEMs bis hin zu kleinen kundenspezifischen Herstellern reichen. Von Geräten mit geringem Stromverbrauch bis hin zur relativ hohen Markierungsleistung von 100 W hat Dapra sein Angebot mit einem neuen faserbasierten grünen Laser und einer Pikosekundenlinie weiter ausgebaut.

„Wir sind an Bord gesprungen und haben begonnen, Pikosekundenlaser anzubieten, denn wenn Sie die richtige Anwendung haben und nur Pikosekunden ausreichen, passt es gut“, sagte Dave Noonan, Director of Laser Sales and Applications. „Betrachten Sie die UV-Markierung als Kaltmarkierung, da es eine sehr kleine Wärmesignatur gibt. Bei Pikosekundenlasern ist es wie bei Steroiden.“

Das Unternehmen bietet auch ein Gehäuse mit einem programmierbaren Schieber an, der an der Rückwand montiert ist. Dieser X-Achsenschlitten ermöglicht es Benutzern, den Laserkopf über eine viel größere Distanz zu bewegen. Ein typischer Schlitten ermöglicht eine Bewegung von 30″ (762 mm), erklärte Noonan, wodurch entweder mehr Teile oder sehr lange Teile wie ein Gewehrlauf oder eine Reihe von Läufen markiert werden können. Dies steht im Gegensatz zu üblicheren quadratischen Markierungsbereichen von etwa 110-170 mm.

Inzwischen ermöglicht eine neue Ergänzung der Software-Suite von Dapra eine schnellere Rotationsindexierung von zylindrischen Teilen wie chirurgischen Werkzeugen. „Wenn Sie eine Sonde haben und Ringe an der Sonde benötigen, um zu wissen, wie tief sie in das Gewebe eindringt, müssen diese Ringe sehr gleichmäßig angelegt werden“, erklärte Noonan. „Eine typische „dritte Achse“ zum Markieren von Ringen erfordert, dass Sie markieren und dann indexieren; es erlaubt Ihnen nicht, beides gleichzeitig zu tun. (Unsere neue Software) lässt uns gleichzeitig markieren und drehen“, wodurch ein langjähriger Kampf für Hersteller überwunden wird und das zu geringeren Kosten als echte On-the-Fly-Software.

Zusätzlich zu seinen Softwareoptionen und kundenspezifischen Gehäusen hat Dapra einen neuen Controller entwickelt, der für jede Laserleistung in jedes seiner Gehäuse eingesetzt werden kann. „Es ist von Natur aus sehr modular“, sagte Noonan. Derselbe Controller wird auch für Angebote der Klasse 4 verwendet, die sehr beliebt geworden sind.

Die Systeme von Dapra haben schnell Anwender für Anwendungen in den Bereichen Medizin, Luft- und Raumfahrt, Automobil, Getriebeherstellung und schwere landwirtschaftliche Geräte gefunden.

„Die Luft- und Raumfahrt ist ein Sektor, der letztes Jahr ziemlich heiß war und in diesem Jahr glühend heiß zu werden scheint“, bemerkte er. Die Branche habe sich in der Vergangenheit zur Nadelprägung hingezogen, fügte er hinzu, angesichts der Vorschriften, die eine spannungsarme Markierung vorschreiben. „Wir sehen ein wachsendes Interesse der Luft- und Raumfahrtindustrie, eine größere Anzahl von Teilen und viel größere Projekte zu markieren.“

Während diese Projekte in der Regel von größeren Unternehmen kommen, treten auch kleinere kundenspezifische Hersteller in den Vordergrund – was Dapra dazu veranlasst, eine Produktlinie einzuführen, die ihren Anforderungen entspricht.

„Ich war gerade bei einer Installation in Florida, wo wir einen Laser an einen kleinen Medizinhersteller verkauften“ mit nur anderthalb Mitarbeitern, erinnerte er sich. „Er stellt Traktionsstifte, chirurgische Schalen, Knochenschrauben und mehr her. In der Vergangenheit waren Laser für einen kleinen Spieler wie diesen zu teuer; nicht mehr. Es ist eine neue Welt und wir haben entsprechende Lösungen.“

Da die Laserpreise sinken, sagte Noonan, erwartet Dapra ein noch größeres Jahr 2019, da mehr Hersteller in der Lage sind, Lasermarkierungen in ihr Repertoire aufzunehmen.

Ein bemerkenswerter Wachstumsbereich sei die automatisierte Kennzeichnung von Kunststoffen gewesen, sagte er. Eine Spritzgießerei „zieht zwischen zwei und vier Teile aus einer Form und legt sie einzeln einem Inline-Laser zur Markierung einer Datamatrix vor.“ Das System bestätigt die Lesbarkeit der Markierungen, bevor die Teile entfernt werden, oder, falls nicht lesbar, löst das System eine Sequenz aus, um eine zweite Markierung auszuführen.

Und im vergangenen Jahr haben sich Zahnradhersteller an Dapra-Lasermarkiersysteme anstelle von Nadelprägern gewandt, um ihre Kosten „stark zu senken, und sie sind begeistert von dem Produktionswert, den Laser auf den Tisch gebracht haben.“

Während die Nadelprägung weniger kostspielig ist, bringt sie Probleme mit sich, was das Halten der Teile und den Verschleiß des Karbid-Markierungsstifts betrifft, was zu einer Verschlechterung der Markierungsklarheit führt. „Die berührungslose Methode der Lasermarkierung ist wirklich überlegen und wird aus gutem Grund angenommen:Sie haben keine Teile, die sich abnutzen, und Ihre Markierungen sind unglaublich wiederholbar und zuverlässig.“

Datengesteuerte Lösungen

Das Nachverfolgen all dieser markierten Daten ist ebenso wichtig wie das Anbringen der Markierungen, und die Hin- und Her-Übertragung kritischer Informationen zwischen Software und Markierungsgeräten ist ein Schlüsselelement im Systemdesign.
Das Erstellen und Sichern dieser bidirektionalen Kette von Kommunikation ist unerlässlich, damit Fertigungsingenieure und diejenigen, die für die Aufrechterhaltung der Produktivität in der Fertigung verantwortlich sind, relevante Daten verfolgen können, versicherte Dave Sweet, Präsident von Mecco, Cranberry Township, PA.

Bei laserbeschrifteten Luft- und Raumfahrtkomponenten für Honeywell „bekommen wir variable Daten aus einer Systemdatenbank. Unternehmenssoftware sendet uns diese Informationen, und wir markieren nicht nur die Teile, sondern verwenden auch Bildverarbeitungssysteme, um zu überprüfen, ob die Informationen, die wir auf den Teilen markiert haben, mit den an uns gesendeten Informationen übereinstimmen.“ Das System von Mecco generiert dann einen Bericht, der für die Regierung gespeichert wird, um diese UDIs zu registrieren.

Laut der Mecco-Fallstudie des Honeywell-Projekts lässt sich das 20-W-SMARTmark-Faserlasersystem „mit 120 VDC überall anschließen und nimmt die Hälfte der Grundfläche des alten YAG-Flachbetts ein“. Auch kennzeichnungsbezogene Qualitätsbenachrichtigungen und Rücksendungen, die zuvor 2.500 $ pro Vorfall gekostet hatten, sind deutlich zurückgegangen.

In der Automobilwelt, bemerkte Sweet, erhalten sicherheitsrelevante Teile und solche mit bestimmten Dollarbeträgen eindeutige Erkennungszeichen, die alle der Fahrzeugidentifikationsnummer zugeordnet sind. Dazu gehören Nockenwellen, Kurbelwellen, Blöcke, Getriebegehäuse und sogar Steckverbinder. Nach dem Markieren dieser Komponenten mit Strichcodes werden diese „Eltern-Kind-Beziehungen“ in einer Datenbank protokolliert, die schließlich alle diese Informationen mit der Fahrgestellnummer verknüpft.

Die Konnektivität von Markierungssystemen erstreckt sich zunehmend auf den Betrieb neben kollaborativen Robotern oder Cobots. MECCO hat kürzlich ein System installiert, das einen Cobot verwendet, um Teile von einem Tablett aufzunehmen und sie dann zum Scannen durch ein Bildverarbeitungssystem bereitzuhalten. Das Bildverarbeitungssystem sendet Informationen an den Laserbeschrifter, dann bringt der Cobot das Teil zum Beschriften zum Laser. Nachdem eine Seite markiert ist, bringt der Cobot das Teil zu einer Kamera, um zu überprüfen, ob die Markierungen korrekt sind, bevor die andere Seite des Teils markiert wird.

„Der Bedarf an Rückverfolgbarkeit wächst immer noch“, sagte Sweet. „Kunden suchen mehr nach lösungsbasierten Systemen als nur nach einem Laser in einer Box“, was bedeutet, dass der Markt für modulare, konfigurationsbasierte Ansätze zur Erfüllung immer spezifischerer Anforderungen an die Fertigungsflexibilität weiter wachsen wird.

Mecco basiert in der Regel bei etwa 80 Prozent seiner Systeme auf vier Grundgehäusegrößen, denen Drehscheiben von 6, 18, 24 oder 36″ (152, 457, 610 oder 914 mm) hinzugefügt werden können, die ständig frische zu markierende Teile zirkulieren lassen. Jedes Gehäuse hat auch die Option eines X-Y-Tisches. Die anderen rund 20 Prozent der Systeme von Mecco können individuell angepasst werden, einschließlich mit abgespeckten grafischen Benutzeroberflächen, mit denen Bediener Jobs laden und überwachen können.

Beispielsweise musste ein neuer Kunde aus der Werkzeugherstellung ein 30 × 30″ (762 × 762 mm) großes Tablett mit Teilen abdecken, was Meccos extragroßes Gehäuse und X-Y-Z-Portalsystem erforderte. „Anstatt mehrere Laser kaufen zu müssen, konnten sie einen Laser kaufen, dieses System laden, loslegen und weggehen.“

In einem anderen Fall verwendete ein Wasserzählerunternehmen eine Kombination aus Nadelprägung und Lasermarkierung mit einer Dreharbeitsstation mit vier Positionen. Ein Messinggehäuse hatte eine Seriennummer, die mit einem Nadelpräger markiert war, und ein Laser kopierte diese Seriennummer auf den schwarzen Kunststoffdeckel.

Das richtige Systemdesign zahlt sich eindeutig aus, wie im Fall eines medizinischen Kunden von Mecco, der von älteren Diodenlasern auf ein Fasersystem aufgerüstet hat und die Gesamtzykluszeit der Maschine von 18 Sekunden auf weniger als 11 Sekunden gesenkt hat, mit einer besseren Markierungsqualität, die eine Verbesserung ermöglichte Sichtprüfung mit Handscannern.

Hinzu kommt die Tatsache, dass Sweet sieht, dass immer mehr kleine Geschäfte in Roboter investieren, um ihre Systeme zu begleiten, und es ist klar, dass die Lasermarkierung zu einem robusten und unverzichtbaren Industriebetrieb geworden ist und sich auch weiterhin entwickeln wird.