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Lasermarkieren

Markieren mit Laserlicht kennt kaum Grenzen

| Autor/ Redakteur: Birgit Faißt / Rüdiger Kroh

Besonders das Thema Rückverfolgbarkeit beschert dem Lasermarkieren eine immer größere Bedeutung. Das berührungslose Verfahren zeichnet sich durch seine hohe Flexibilität hinsichtlich Schriftbildinhalt, Materialvielfalt und -geometrie aus.

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Auch graphische Elemente wie bei diesem Drehzahlmesser lassen sich mit Laserbeschriften einfach realisieren.
Auch graphische Elemente wie bei diesem Drehzahlmesser lassen sich mit Laserbeschriften einfach realisieren.
( Archiv: Vogel Business Media )

Was wäre ein Automobil, wenn die Bedienelemente im Innenraum nachts nicht leuchten würden. Leuchtdioden hinter laserbeschrifteten Tasten lassen die Symbole hell aufleuchten. Aber auch unter der Motorhaube hinterlässt der Laser seine Spuren. Immer mehr Einzelteile und Baugruppen müssen individuell und dauerhaft gekennzeichnet werden. Eine Rückverfolgbarkeit bis hin zum Produktionsprozess ist zu gewährleisten. Bei Rückrufaktionen muss der Verursacher des Problems leicht gefunden werden können.

Das weite Anwendungsfeld des Laserbeschriftens in der Automobilindustrie, beispielsweise die Markierung von Powertrainkomponenten oder Kfz-Bedienelementen, liegt in zahlreichen Vorteilen begründet. Das berührungslose Verfahren zeichnet sich durch seine hohe Flexibilität hinsichtlich Schriftbild-inhalt, Materialvielfalt und -geometrie aus.

Schwer zugängliche Stellen sind leicht erreichbar. Auch gekrümmte Flächen sind für den Laser keine Herausforderung. Vor- und Nacharbeiten sind nicht erforderlich – der Laser beschreibt auch ölige Oberflächen auf Ventilen und die rauen, unbearbeiteten Schmiede- oder Gussoberflächen von Kurbelwellen oder Pleuels.

Varible Inhalte mit dem Laser just in time aufbringen

Neben Prüfzeichen oder Firmenlogos der Automobilhersteller und -zulieferer können variable Inhalte wie fortlaufende Seriennummern, Fertigungsdaten, Barcodes oder Data-Matrix-Codes just in time auf das Werkstück aufgebracht werden. Ebenso schnell lassen sich aus aktuellen Messdaten graphische Elemente wie Tachoskalen generieren und markieren. Die komfortable Schnittstellenarchitektur der Markiersoftware macht die Bedienung einfach. Windowsbasierte Software erlaubt eine einfache Programmierung von Text, Grafik und Codes und die Übernahme von CAD-Daten in das System.

Für das Beschriften werden diodengepumpte Festkörperlaser mit vergleichsweise geringer mittlerer Leistung (unter 100 W) eingesetzt. Die Trumpf-Laser sind mit einem integrierten Kühlsystem gegen Luft ausgestattet. Mit ihrer guten Strahlqualität und Fokussierbarkeit (Spotdurchmesser 30 µm) bieten diodengepumpte Systeme außerdem die Möglichkeit sehr filigraner Beschriftungen – etwa auf kleinen elektronischen Bauelementen. Damit einher geht eine hohe Laserleistungsdichte, mit deren Hilfe sich eine kurze Taktzeit erzielen lässt. Die Pumpdioden haben eine Lebensdauererwartung von mehr als 10 000 h, woraus ein geringer laserinterner Wartungsaufwand resultiert.

Zwei bewegliche Galvanometerspiegel lenken den Laserstrahl programmgesteuert in X- und Y-Richtung mit Geschwindigkeiten bis zu 10 m/s ab. Das Objektiv fokussiert den Laserstrahl auf die Werkstückebene. Die spezielle Wahl der Fokussieroptik (Planfeldlinse) erreicht, dass der Brennpunkt im Beschriftungsfeld in einer Ebene liegt, der Laserstrahl also stets denselben Fokusdurchmesser hat.

Bedien- und Kontrolldaten des Lasers per Modem fernübertragbar

Die Lasergeräte von Trumpf sind mit Telepräsenz ausgestattet, das heißt, dass alle Bedien- und Kontrolldaten des Lasers per Modem fernübertragen werden können, um dem Hersteller Einsicht in mehrere hundert analoge Messwerte und Voreinstellungen zu geben. Damit ist eine Fehlerdiagnose im Störfall innerhalb von Minuten möglich oder gar eine Fehlerbehebung ohne Servicetechniker vor Ort. Des Weiteren ermöglicht dies prophylaktische Wartung, applikationsspezifische Programmanpassung und Software-Updates über Ländergrenzen hinweg per Modem.

Bei der Metallbeschriftung kommen zwei unterschiedliche Lasermarkierverfahren zum Einsatz: Anlassbeschriftung und Gravur. Eine Anlassbeschriftung erwärmt das Material lokal bis unterhalb seines Schmelzpunktes. Dabei werden Oxidschichten an der Werkstückoberfläche generiert, womit metallische Anlassfarben verbunden sind. Der Kontrast ist abhängig von der Oxidschichtdicke. Die Oberflächenbeschaffenheit bleibt vollständig erhalten. Anlassfarben sind bis etwa 200 °C stabil.

Laser-Gravur auch bei Kunststoffen und Keramik möglich

Bei der Gravur wird die Markierung durch Materialabtrag eingebracht. Dies ist außer bei Metallen auch bei Keramiken und Kunststoffen möglich. Dabei ist die Leistungsdichte des Laserstrahls so hoch, dass das Material während der Bearbeitung schmilzt und teilweise verdampft. Im Werkstoff entsteht eine Vertiefung, die Gravur. Bei Metallen bilden sich durch die Wechselwirkung des aufgeschmolzenen Grundmaterials mit dem Luftsauerstoff Oxide, die aufgrund ihrer Farbe die Beschriftung deutlicher hervortreten lassen.

Der Laser eignet sich auch hervorragend zum Abtragen von Deckschichten. Ein Beispiel ist eloxiertes Aluminium, das häufig für Typenschilder verwendet wird, beispielsweise bei lackierten Bauteilen wie Zylinderkopfdichtungen. Im Kunststoffbereich ist der Laser für das Tag-Nacht-Design geradezu prädestiniert, beispielsweise für Armaturenanzeigen in Autos.

Die Strahlqualität des Lasers entscheidet

Durch Schichtabtrag von Lacken – teilweise Mehrschichtaufbau für unterschiedliche Farben – werden Schalter und Bedienelemente so markiert, dass sie sichtbare Symbole tragen, die bei Dunkelheit hinterleuchtet werden können und dann hell erscheinen. Beim Abtragen der Symbole muss der Decklack komplett abgetragen werden, wobei der Basislack oder das transparente Grundmaterial nicht beschädigt werden darf. Dazu ist ein Laser mit hoher Puls-zu-Puls-Stabilität erforderlich. Außerdem kommt der Strahlqualität und Fokussierbarkeit des Laserstrahls eine besondere Bedeutung zu, da eine hohe Kantenschärfe der Symbole gefordert ist.

Material muss Wellenlänge des Laserlichts absorbieren

Bei der Direktmarkierung von Kunststoffen ist entscheidend, dass der Werkstoff die Wellenlänge des Nd:YAG-Lasers von 1064 nm (IR) in ausreichendem Maße absorbiert. Additive, Füllstoffe und Pigmente beeinflussen die Absorption dabei stark. Oft absorbieren diese Bestandteile um ein Vielfaches besser bei einer Wellenlänge von 532 nm (Grün), was sich in einer höheren Bearbeitungsgeschwindigkeit und einem besseren Kontrast äußert und bei der Auswahl des Lasersystems für eine spezielle Anwendung beachtet werden muss.

Diodengepumpte Systeme sind von Trumpf in beiden Wellenlängen erhältlich. Seit einiger Zeit steht auch die Wellenlänge 355 nm (UV) zur Verfügung. Die Materialpalette der beschriftbaren Kunststoffe erweitert sich dadurch weiter. Ein besonderer Vorteil dieser Wellenlänge ist außerdem die geringe Materialbeeinflussung. Viele Kunststoffe sind mit minimaler Werkstoffschädigung beschriftbar. Die Oberflächenqualität bleibt erhalten und es können dennoch hohe Kontraste durch Farb-umschlag erzielt werden.

Auch intransparente Produkte sind markierbar

Zusätzlich besteht die Möglichkeit des Einsatzes von Laseradditiven, speziellen lasersensitiven Pigmenten, die zu einem geringen Prozentsatz dem Material beigefügt werden und den Kontrast der Markierung mit 1064 nm erhöhen können oder die Taktzeit wesentlich verringern. Ein bekanntes Beispiel ist der Bremsflüssigkeitsbehälter, der durch lasersensitive Additive trotz Transparenz laserbeschriftbar ist.

Ein sehr wichtiges Einsatzgebiet des Lasers ist die Beschriftung mit maschinenlesbaren Codes. Verschärfte Produkthaftungsgesetze und Zertifizierungen sowie die Vorgabe, Ausschuss und Fehlerkosten möglichst gering zu halten und diese an den eigentlichen Verursacher weiterzureichen, zwingen die Industrie, Aufzeichnungen über verarbeitete Bau-elemente und deren Zuordnung zu Aufträgen oder zu einzelnen Bauteilen zu führen.

Technik stark verbreitet im Flugzeugbau

Insbesondere Hersteller von sicherheitsrelevanten Komponenten, wie gerade Zulieferer für Automobil- und Flugzeugindustrie, werden aufgefordert, jederzeit Auskunft darüber geben zu können, welche Einzelbauteile in kompletten Systemen verwendet worden sind. Mit Hilfe der Laserbeschriftung können flexibel Seriennummern, das aktuelle Fertigungsdatum und andere variable Daten in einem Code verschlüsselt markiert werden.

Dafür eignen sich Standard-Barcodes oder die zweidimensionale platzsparende Variante des Data-Matrix-Codes. Dieser international genormte Code hat eine sehr hohe Informationsdichte auf kleinem Raum und ist daher schnell – bis zum Faktor sechs schneller als ein typischer Barcode – aufgebracht. Auf einer Fläche von 4 mm × 4 mm können beispielsweise 36 nummerische Zeichen aufgebracht werden. Für den Data-Matrix-Code ist bereits ein geringer Kontrast von nur 20% ausreichend. Die Codes sind in jeder Winkellage mit sehr hoher Lesesicherheit lesbar. Ein durch einen Kratzer oder ähnliches bis zu 20% zerstörter Code ist immer noch lesbar.

Die Laserbeschriftungstechnik ist eine hochqualitative, ökonomische und sehr flexible Art, individuell eine Information auf ein Bauteil aufzubringen. Information, die wichtig ist für den Produktionsprozess, die Funktionalität oder Identität des Produkts. In der Laserbeschriftung sind den Möglichkeiten kaum Grenzen gesetzt. Die ständig steigenden Anforderungen an Teilebeschriftungen im Produktionsablauf lassen immer mehr Produzenten – vor allem aus der Automobilzulieferindustrie – über den Einsatz von Lasertechnik nachdenken.

Dr. Birgit Faißt ist Leiterin der Applikation Markieren und Mikrobearbeitung bei der Trumpf Laser GmbH + Co. KG, 78713 Schramberg, Tel. (0 74 22) 5 15-0, Fax (0 74 22) 5 15-1 08, birgit.faisst@de.trumpf.com

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