Lasermarkier-Innovationen: Neue Horizonte in Automotive, Oil & Gas und Healthcare

Lasermarkierung geht unter die See, unter die Oberfläche und in den Ultrakurzpulsbereich.

Das etablierte Feld der Lasermarkierung bricht weiterhin neue Wege mit expandierenden Geschäftschancen in Automotive, Öl und Gas, Medizintechnik und anderen Branchen.

Ultrakurzpulslaser – jene im Piko- und Femtosekundenbereich – etablieren sich als Schlüsseltechnologie in besonders sensiblen, bundesweit vorgeschriebenen medizinischen Anwendungen. Neue proprietäre Softwareversionen und maßgeschneiderte Markiersysteme sind zunehmend gefragt. Und eine große neue Partnerschaft zwischen einem relativ jungen Systemanbieter und einem globalen Marktführer für Kabel und Kabelbäume demonstriert den robusten Schwung der Lasermarkierung weiter.

Und im Einklang mit dem Streben Richtung Industrie 4.0 werden neue Automationsmaßnahmen ausgerollt, um den Durchsatz lasermarkierter Produkte zu erhöhen.

Letztlich, während 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.

Gemeinsam Wachsen

Für das finnische Cajo Technologies verspricht 2019, den Schwung des Vorjahres fortzusetzen mit einer neuen Vertriebs- und Distributionspartnerschaft mit dem Kabel- und Kabelbaum-Riesen Anixter sowie expandierender Arbeit mit Seekabeln.

Diese Branchen sind stark auf schnelle On-the-fly-Markierung angewiesen, was Cajos am schnellsten wachsende Anwendung bleibt, so Präsident Ismo Rantala. Seit 2010 im Geschäft und mit US-Hauptsitz in New Orleans rühmt sich Cajo als schnellster Lasermarker der Welt – was eindeutig die Aufmerksamkeit von Anixter erregte.

Anixter "ist der größte Kabelverteiler der Welt", erklärte Rantala, "und sie lagern Kabel im Wert von über 1 Milliarde Dollar weltweit." Durch die Inhouse-Integration von Cajos Expertise schafft Anixter Mehrwert für seine Kunden, die entweder vormarkierte Kabel oder ein Cajo-Markiersystem direkt vom Kabellieferanten beziehen können.

"Die Kabel- und Kabelbaumbranche hat erkannt, dass On-the-fly-Markierung die Zukunft der Markierung für alles ist, was sie tun", sagte Rantala. Er merkte an, dass 90 Prozent der Ausfallzeiten in Markieranwendungen typischerweise auf den Ausfall verstopfter Tintenstrahldrucker zurückzuführen sind. Im Gegensatz dazu haben Laser keine Verbrauchsmaterialien und können 100.000 Stunden laufen.

Indessen baut Cajo – das primär an OEMs verkauft – seine proprietäre Softwaresuite aus, was sie in den gleichen Bereich wie Trumpf und Rofin bringt. Das neueste Designangebot des Unternehmens ist CajoCAD 3.0. Tatsächlich ist Cajos Einstellungspriorität derzeit Softwareingenieure, so Rantala, mit dem Ziel, die Kabelmarkiergeschwindigkeiten basierend auf den von den größten Kabelherstellern der Branche angeforderten Spezifikationen weiter zu verbessern.

Fortgesetzte Innovation ist besonders wichtig für Cajo wegen der Nachfrage an seinen Systemen für die Markierung von Seekabeln zwischen Ölplattformen und dem Festland. Diese kunststoffbeschichteten Kabel können bis zu 80 km (49 Meilen) lang sein, wie im Fall der glasfaseroptischen Strom- und Fluidleitungen, die für die Energieindustrie von Norwegens Aker Solutions produziert werden. Mehrere Einzelkabel können in einem größeren Kabel untergebracht sein.

Für Aker schuf Cajo eine Drei-Laser-Markierzelle, die Markierungen in 120°-Abständen um das Kabel herum anbringt, sodass die Markierungen für Projektnamen und Kabellänge aus jedem Winkel sichtbar sind. Da die Glasfaserkabel sich nicht verdrehen dürfen und trotzdem funktionieren müssen, stellt eine einzelne markierte Linie oben sicher, dass sie in ihrer richtigen Orientierung bleiben. Weitere Markierungen geben die Entfernung eines bestimmten Kabelabschnitts vom Schiff, der Plattform oder dem Festland an. "Das dient der Fehlersuche; wenn etwas mit einem Kabel passiert, können sie orten, wo der Fehler ist, und ihn beheben."

Was die Laser in seinen Systemen betrifft, so setzt Cajo auf Faserlaser, die "99 Prozent der Materialien" markieren können, so Rantala. "Wir können Lege- und sequenzielle Markierung für Seekabel auf PVC und anderen Materialien mit Lasern durchführen, und das hat bei Unternehmen, die diese Produkte herstellen, für Aufsehen gesorgt."

Kurz und Scharf

Auf einer weit kleineren Skala in Bezug auf Teilegröße beginnt die Medizintechnik, ultrakurze, oder ultrakurzpulsige, Laser im Piko- und sogar Femtosekundenbereich zu nutzen, um permanente eindeutige Gerätekennungen (UDIs) auf Edelstahlgeräten zu markieren.

Während Nanosekundenlaser seit einiger Zeit erfolgreich Produkte markieren, so Thorsten Ferbach, Business Development Manager bei Coherent-Rofin, Santa Clara, Calif., kann ihre Wirkung auf Edelstahl bei wiederholtem Autoklavieren zu Korrosion führen. Daher rentieren sich Pikosekundenlaser, obwohl sie eine erhebliche Investition darstellen, bei der Herstellung hochwertiger Medizinprodukte mehr als – wo ein Ausfall nie eine Option ist.

Treiber dieser Technologie ist die FDA-Regulierung, die im September 2018 in Kraft trat und vorschreibt, dass Medizinprodukte, die mehrere Sterilisationsrunden erfordern, Markierungen tragen, die sich im Laufe der Zeit nicht verschlechtern. Die Vorschriften sollen garantieren, dass Ärzte weltweit auf die in diesen Markierungen codierten Daten zugreifen können. Lesefehler dieser Codes erzeugen Einträge in der FDA-Datenbank, erklärte Ferbach, und zu viele Berichte für ein gegebenes Produkt können dazu führen, dass die FDA die Produktion im Rahmen einer größeren Untersuchung stilllegt.

Um diese Nachfrage zu befriedigen, hat Coherent-Rofin seinen Rapid NX Pikosekundenlaser optimiert, erklärte Ferbach. Im Gegensatz zu Nanosekundenlasern, die dunkle Markierungen durch Erzeugung von schwarzem Oxid auf der Materialoberfläche erzeugen, verändert die Pikosekundenmarkierung die subsurface Nanostruktur von Materialien wie 1.4301 Edelstahl, wodurch Licht eingefangen und absorbiert wird, um hochkontrastreiche Markierungen zu erzeugen.

"Es ist prinzipiell ähnlich der schützenden Haut von Stealth-Kampfjets", erklärte Ferbach. "Wenn man diese Haut Radarbeams aussetzt, gibt es keine Reflexion; das Flugzeug wird unsichtbar." Bei einem Edelstahlgerät absorbieren die mit dem Pikosekundenlaser behandelten Bereiche Licht, um als dunkle Markierungen zu erscheinen. Und im Gegensatz zu einer Oxidmarkierung, die ihr Aussehen je nach Betrachtungswinkel ändern kann, sieht die schwarze Subsurface-Markierung aus allen Winkeln gleich aus.

In Bezug auf Durchsatz und die Fähigkeit, den Markierprozess zu überwachen, gibt es keinen Unterschied zwischen Nanosekunden- und Pikosekundenlaser in dieser Anwendung, stellte er fest. Bevor ein Kunde jedoch mit einem Projekt beginnt, führt Coherent-Rofin eine Machbarkeitsstudie durch. Dies stellt sicher, dass der Pikosekundenlaser unter den korrekten Parametern für den Job arbeitet und der Kunde präventive Wartungsmaßnahmen für diese intern wassergekühlten Einheiten versteht.

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

Zeitgenössisches Küchendesign mit seinem Fokus auf Edelstahlgeräte ist ein idealer Kandidat, merkte Ferbach an. "Man sieht, Edelstahlartikel werden entweder geätzt oder bedruckt", erklärte er. Hersteller in dieser Branche meiden Nanosekundenlaser derzeit wegen der erwähnten Variabilität, wie schwarze Markierungen aus verschiedenen Winkeln erscheinen. "Hier müssen wir den Markt noch aufklären" über die Vorteile ultrakurzer Laser.

Neben Geräten nehmen auch Consumer-Electronics-OEMs ultrakurze Laser an.

Was Materialien betrifft, können Pikosekundenlaser auch auf Titan markieren, besonders für Implantate; eloxiertes Aluminium, oft in orthopädischen Geräten verwendet; und PEEK- und PPSU-Kunststoffe.

Erweitertes Portfolio und Märkte

Dapra Marking Systems aus Bloomfield, Conn., begann vor etwa zwei Jahren, eigene Lasersysteme herzustellen, um vielfältige Chancen zu nutzen, von großen OEMs bis zu kleinen kundenspezifischen Fertigern. Von Niedrigleistungsgeräten bis zur relativ hohen Markierleistung von 100 W hat Dapra sein Angebot mit einer neuen faserbasierten Green-Laser- und Pikosekundenlinie weiter ausgebaut.

"Wir sind eingestiegen und bieten Pikosekundenlaser an, weil wenn Sie die richtige Anwendung haben und nur Pikosekundenlaser funktionieren, es eine gute Passform ist", sagte Dave Noonan, Director of Laser Sales and Applications. "Denken Sie an UV-Markierung als Kaltmarkierung, weil die Wärmesignatur sehr klein ist. Mit Pikosekundenlasern ist es wie das auf Steroiden."

Das Unternehmen bietet auch ein Gehäuse mit einem programmierbaren Schlitten an der Rückwand an. Dieser X-Achsen-Schlitten ermöglicht es Anwendern, den Laserkopf über eine viel größere Distanz zu bewegen. Ein typischer Schlitten erlaubt eine Bewegung von 30" (762 mm), erklärte Noonan, was die Markierung entweder von mehr Teilen oder sehr langen Teilen wie einem Gewehrlauf oder einer Reihe von Läufen ermöglicht. Dies steht im Kontrast zu den üblichen quadratischen Markierbereichen von ungefähr 110-170 mm.

Indessen ermöglicht eine neue Ergänzung zu Dapras Softwaresuite schnelleres rotatives Indexieren von zylindrischen Teilen wie chirurgischen Werkzeugen. "Wenn Sie eine Sonde haben und Ringe auf der Sonde benötigen, um zu wissen, wie tief sie in das Gewebe eindringt, müssen diese Ringe in einer sehr konsistenten Weise aufgebracht werden", erklärte Noonan. "Eine typische 'Dritte Achse' für das Markieren von Ringen erfordert, dass Sie markieren und dann indexieren; sie erlaubt nicht beides gleichzeitig. (Unsere neue Software) lässt uns gleichzeitig markieren und drehen", überwindet einen langjährigen Kampf für Hersteller und zu geringeren Kosten als echte On-the-fly-Software.

Zusätzlich zu seinen Softwareoptionen und maßgeschneiderten Gehäusen hat Dapra einen neuen Controller entwickelt, der in jedes seiner Gehäuse für jede Laserleistung eingebaut werden kann. "Er ist sehr modular aufgebaut", sagte Noonan. Derselbe Controller wird auch für Klasse-4-Angebote verwendet, die sehr populär geworden sind.

Dapras Systeme haben schnell Anwender für Medizin, Luft- und Raumfahrt, Automotive, Getriebefertigung und schwere Landmaschinen gefunden.

"Luft- und Raumfahrt war ein Sektor, der letztes Jahr sehr heiß war und in diesem Jahr rotglühend zu werden scheint", merkte er an. Die Branche hat sich historisch zum Punkteinprägen (Dot Peen) hingezogen gefühlt, fügte er hinzu, aufgrund von Vorschriften, die spannungsarme Markierung vorschreiben. "Wir sehen einen Anstieg des Interesses aus der Luft- und Raumfahrtindustrie, eine größere Anzahl von Teilen zu markieren und viel größere Projekte."

Während diese Projekte tendenziell von größeren Playern kommen, treten auch kleinere kundenspezifische Fertiger in den Vordergrund – was Dapra veranlasst, eine Produktlinie für ihre Bedürfnisse einzuführen.

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

Da Laserpreise sinken, sagte Noonan, erwartet Dapra ein noch größeres Jahr 2019, da mehr Hersteller Lasermarkierung in ihr Repertoire aufnehmen können.

Ein bemerkenswerter Wachstumsbereich war die automatisierte Markierung von Kunststoffen, sagte er. Ein Spritzgussbetrieb "nimmt zwei bis vier Teile aus einer Form und führt sie nacheinander einem Inline-Laser zur Markierung eines Datamatrix-Codes zu." Das System bestätigt die Lesbarkeit der Markierungen, bevor die Teile weggenommen werden, oder führt, falls unleserlich, eine Sequenz für eine zweite Markierung aus.

Und im vergangenen Jahr sind Getriebehersteller zu Dapra-Lasermarkiersystemen statt Dot Peen gewechselt, um ihre Kosten "erheblich zu senken, und sie sind begeistert von dem Produktionswert, den Laser auf den Tisch gebracht haben."

Während Dot Peen günstiger ist, bringt es Probleme mit Teilehaltung und Verschleiß des Hartmetall-Markierstifts mit sich, 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 verschleißen, und Ihre Markierungen sind unglaublich wiederholbar und zuverlässig."

Datengesteuerte Lösungen

Das Verfolgen all dieser markierten Daten ist genauso wichtig wie das Anbringen der Markierungen, und der hin- und hergehende Transfer kritischer Informationen zwischen Software und Markiergeräten ist ein Schlüsselelement im Systemdesign. Das Schaffen und Absichern dieser bidirektionalen Kommunikationskette ist essenziell, um Fertigungsingenieuren und den für die Produktivität am Shopfloor Verantwortlichen zu ermöglichen, relevante Daten zu verfolgen, betonte Dave Sweet, Präsident von Mecco, Cranberry Township, Pa.

Beispielsweise bei lasermarkierten Luftfahrtkomponenten für Honeywell: "Wir erhalten variable Daten aus einer Systemdatenbank. Enterprise-Software sendet uns diese Informationen, und wir markieren nicht nur die Teile, sondern nutzen auch Vision-Systeme, um zu verifizieren, dass die Informationen, die wir auf den Teilen markiert haben, mit dem übereinstimmen, was an uns gesendet wurde." Meccos System generiert dann einen Bericht, der für die Regierung zur Registrierung dieser UDIs gespeichert wird.

Laut Meccos Fallstudie zum Honeywell-Projekt "steckt das 20-W-SMARTmark-Faserlasersystem überall an 120 VDC und belegt die Hälfte des Footprints des alten YAG-Flachbetts." Auch markierungsbezogene Qualitätsmeldungen und Rücksendungen, die 2.500 Dollar pro Vorfall gekostet hatten, sind signifikant gesunken.

In der Automobilwelt, so Sweet, erhalten sicherheitsrelevante Teile und solche bestimmter Dollarbeträge eindeutige Kennzeichnungen – alle zurückverfolgbar zur Fahrgestellnummer (VIN). Dies umfasst Nockenwellen, Kurbelwellen, Blöcke, Getriebegehäuse und sogar Steckverbinder. Nach der Markierung dieser Komponenten mit Barcodes werden diese "Parent-Child-Beziehungen" in eine Datenbank eingetragen, die schließlich all diese Informationen mit der VIN verknüpft.

Die Konnektivität von Markiersystemen erstreckt sich zunehmend auf den Betrieb neben kollaborativen Robotern (Cobots). MECCO installierte kürzlich ein System, das einen Cobot nutzt, um Teile von einem Tablett zu nehmen und sie für das Scannen durch ein Vision-System zu halten. Das Vision-System sendet Informationen an den Lasermarker, dann bringt der Cobot das Teil zum Laser zur Markierung. Nach der Markierung einer Seite bringt der Cobot das Teil zu einer Kamera, um zu verifizieren, dass die Markierungen korrekt sind, bevor jede andere Seite des Teils markiert wird.

"Der Bedarf an Rückverfolgbarkeit wächst weiter", sagte Sweet. "Kunden suchen mehr nach lösungsbasierten Systemen als nur einem Laser in einer Box", was bedeutet, dass der Markt für modulare, konfigurationsbasierte Ansätze zur Erfüllung zunehmend spezifischer Bedürfnisse nach Fertigungsflexibilität weiter wachsen wird.

Mecco basiert etwa 80 Prozent seiner Systeme auf vier grundlegenden Gehäusegrößen, denen Drehscheiben von 6, 18, 24 oder 36" (152, 457, 610 oder 914 mm) hinzugefügt werden können, die kontinuierlich frische Teile zum Markieren zuführen. Jedes Gehäuse hat auch die Option eines X-Y-Tischs. Die restlichen etwa 20 Prozent von Meccos Systemen können angepasst werden, einschließlich mit reduzierten grafischen Benutzeroberflächen, die es Bedienern erlauben, Aufträge zu laden und zu überwachen.

Beispielsweise brauchte ein kürzlicher Werkzeughersteller-Kunde, ein 30 x 30" (762 x 762 mm) Tablett mit Teilen abzudecken, was Meccos extra-großes Gehäuse und X-Y-Z-Portalsystem erforderte. "Anstatt mehrere Laser kaufen zu müssen, konnten sie einen Laser kaufen, dieses System laden, auf Go drücken und weggehen."

In einem anderen Fall nutzte ein Wasserzählerhersteller eine Kombination aus Dot Peen und Lasermarkierung mit einer Vier-Positionen-Drehstation. Ein Messinggehäuse erhielt eine Seriennummer per Dot Peen, und ein Laser duplizierte diese Seriennummer auf dem schwarzen Kunststoffdeckel.

Richtiges Systemdesign zahlt sich deutlich aus, wie im Fall eines Medizinkunden von Meccos, der von älteren Diodenlasern auf ein Fasersystem aufrüstete und die Gesamtmaschinenzykluszeit von 18 Sekunden auf unter 11 Sekunden senkte, mit besserer Markierungsqualität, die bessere visuelle Inspektion mit Handscannern ermöglichte.

Hinzu kommt, dass Sweet mehr kleine Werkstätten sieht, die in Roboter investieren, um ihre Systeme zu begleiten, und es ist klar, dass Lasermarkierung zu einer robusten und unverzichtbaren industriellen Operation geworden ist und sich weiterentwickeln wird.