3D-Laserbeschriftung
Anwendungen

Was ist Z-Dynamisch und wie funktioniert es?

Einer der entscheidenden Aspekte bei der Manipulation eines Laserstrahls ist die Steuerung des Brennpunkts. Diese Kontrolle kann durch den Einsatz verschiedener optischer Linsen erreicht werden, mit denen der Strahl an die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden kann.

Optische Linsen sind von grundlegender Bedeutung für die Manipulation eines Laserstrahls. Sie können den Strahl konvergieren oder divergieren lassen und so seinen Fokus direkt beeinflussen.

Eine der wirksamsten Techniken zur Veränderung des Brennpunkts eines Laserstrahls ist die Kombination verschiedener Linsen wie konkaver oder konvexer Linsen

Konvexe Linsen sind so konzipiert, dass sie den Strahl konvergieren, während konkave Linsen das Gegenteil bewirken, nämlich eine Defokussierung des Strahls.

Das von Snell formulierte grundlegende Brechungsgesetz beschreibt, wie sich Licht verhält, wenn es ein Medium mit einem anderen Brechungsindex durchläuft.

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Dieses Gesetz ist wichtig, um zu verstehen, wie optische Linsen einen Laserstrahl fokussieren oder defokussieren können.

Wenn Licht durch eine Konvergenzlinse fällt, werden die Strahlen zu einem Brennpunkt konvergieren. Umgekehrt bewirkt eine Divergenzlinse, dass die Strahlen divergieren und den Ursprung von einem virtuellen Brennpunkt aus simulieren.

Die mathematische Beziehung, die mit der Bildentstehung durch eine Linse verbunden ist, unterstreicht die Beziehung zwischen dem Snell-Gesetz und den optischen Eigenschaften von Linsen:

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Die Kombination dieser Linsen bietet eine Synthese der Brennkraft, die präzise und einstellbare Brennpunkte ermöglicht.

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Wenn drei Linsen in Reihe geschaltet sind, kann die Gesamtbrennweite des Linsensystems mit der Formel für die reziproke Summe der Brennweiten berechnet werden.

Diese Formel lautet wie folgt:

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Bei komplexeren Anwendungen können Linsen in geeigneter Weise kombiniert werden, um Fokusvariationen auch über große Entfernungen zu ermöglichen.

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Parameter wie Spotqualität, Form, M2 und MTF sind entscheidend für die Beurteilung der Wirksamkeit und Zuverlässigkeit eines optischen Systems. Die Optimierung dieser Aspekte ist entscheidend, um hochpräzise und konsistente Ergebnisse bei fortschrittlichen Laseranwendungen zu gewährleisten.

  • Eine ausgezeichnete Spotqualität ist durch ein gleichmäßiges und konzentriertes Intensitätsprofil gekennzeichnet.
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  • Die Spotform bezieht sich auf die Geometrie des vom Laserstrahl beleuchteten Bereichs. Bei vielen Anwendungen versucht man, einen möglichst symmetrischen und gleichmäßigen Spot zu erhalten, um genaue Ergebnisse zu erzielen.
  • In der weiten Welt der Optik und der Teilchenphysik spielt die Form von Laserspots eine entscheidende Rolle bei praktischen Anwendungen, von der Industrie bis zur wissenschaftlichen Forschung. Diese Spots werden oft mit Gauß-Verteilungen beschrieben.

Die Gauß-Funktion, mathematisch ausgedrückt als:

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wobei A die maximale Amplitude, μ der Mittelwert und σ die Standardabweichung ist, beschreibt genau die Form der im Raum verteilten Energie.

Mit der Gleichung für die Form des Gauß-Histogramms kann der Wert von f(x) an jedem beliebigen Punkt im Raum berechnet werden, was eine vollständige mathematische Beschreibung des Laserspots ergibt. Die Integration der Gleichung über den gesamten Raum liefert die Gesamtenergie.

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Eigenschaften der Gauß-Kurve sind:

  • Symmetrie: Die Gauß-Kurve ist symmetrisch in Bezug auf ihren Mittelwert μ, was bedeutet, dass die Verteilung links und rechts der Spitze gleich ist.
  • Fläche unter der Kurve: Die Fläche unter der Gauß-Kurve ist proportional zur Gesamtenergie des Spots.
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  • Der Parameter , auch Strahlqualitätsfaktor genannt, ist ein Indikator für die Qualität eines Laserstrahls. Er misst, wie weit das Strahlprofil von dem eines idealen Gauß-Strahls abweicht. Ein M²-Wert von 1 bedeutet einen perfekt Gauß-Strahl. Höhere Werte weisen auf eine Abweichung vom idealen Muster hin. Der M²-Faktor ist besonders wichtig, wenn es um die Ausbreitungsleistung des Strahls über große Entfernungen geht oder wenn eine präzise Kollimation entscheidend ist.
  • Die modulierte Übertragungsfunktion (MTF) ist ein Indikator für die Fähigkeit eines optischen Systems, Bilddetails wiederzugeben.
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Beschränkungen und Lösungen für 3D-Beschriftungen/Gravuren

Beschriftungen/Gravuren auf dreidimensionalen Körpern können innerhalb zweier Grenzen realisiert werden:

Die erste Grenze ist physikalischer Natur und wird durch die Neigung des Laserstrahls bestimmt.

Wenn der Laserstrahl senkrecht steht, entsteht ein kreisförmiger Spot mit maximaler Energie und folglich maximaler Prägnanz auf dem Material; entfernt man sich von diesen Bedingungen, wird der Laserspot immer elliptischer, was die Energiedichte und damit die Prägnanz auf dem Material verringert.

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Die zweite Grenze ist mechanischer Natur und wird durch den maximal möglichen Weg von Z-Dynamisch bestimmt. Dieser Weg hängt vom verwendeten optischen Projekt ab und nimmt im Allgemeinen Werte von 35/40 mm an.

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Je nach Fall können diese Grenzen manchmal umgangen werden, indem z.B. eine Beschriftung-/Gravierspindel auf ganzen zylindrischen Flächen eingesetzt wird:

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Wrapping und Projektion und Beispiel von 3D-Beschriftungen

Wir haben Technologien entwickelt, die es uns ermöglichen, auf komplexen Oberflächen mit sehr hoher geometrischer Präzision zu beschrften oder zu gravieren.

Neben der einfachen planaren Projektion sind wir in der Lage, jede flache Grafik auf jeden dreidimensionalen Körper zu wickeln und so Ergebnisse zu erzielen, die geometrisch extrem genau dem entsprechen, was in der Entwurfsphase vorgesehen war, und so Beschriftungen/Gravuren zu realisieren, bei denen es keine geometrischen Verzerrungen gibt.

Diese Art von komplexen Beschriftungen/Gravuren wird durch die Koexistenz von zwei verschiedenen Technologien ermöglicht:

  • 3D Wrapping das es uns ermöglicht, geometrisch perfekte dreidimensionale Designs zu markieren
  • Z-Dynamisch, das es uns ermöglicht, alle Punkte der zu untersuchenden Oberfläche im Blick zu behalten.

Nachfolgend finden Sie einige Beispiele für 3D-Beschriftungen:

Vergleichende Beispiele für die Projektion und die Aufwicklung eines Gitters auf einer kegelstumpfförmigen Oberfläche:

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Aufgewickeltes gitter
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Projiziertes gitter
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Geometrischer vergleich zwischen aufgewickeltem gitter und projiziertem gitter

Beispiel einer Beschriftung auf einer halbkugelförmigen Oberfläche:

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Beispiel einer 3D-Entmalung auf einer Autofelge:

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Beispiel einer 3D-Gravur von Texturen und Schriftzügen im Inneren einer Flaschenform

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3D-Lasermarkierung: Wann sollte man sie verwenden?

In Anbetracht der Tatsache, dass ein dreiachsiger Abtastkopf wesentlich teurer ist als ein herkömmliches, zweiachsiges System, sollte man hinterfragen, wann man ein derartiges System wirklich braucht und wann wir es nur aus rein finanziellen Gründen angeboten bekommen.

Wie bereits erwähnt, hängt der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Systemen mit der unterschiedlichen Fokustoleranz zusammen, d.h. der Möglichkeit, ein Teil zu beschriften, das sich aufgrund seiner geometrischen Eigenschaften nicht immer im gleichen Fokusabstand zum Laserkopf befindet.

Geht man von einem 100×100 mm großen Beschriftungsbereich aus, so hat ein dreiachsiger Kopf in der Regel eine Fokustoleranz von ca. 40 mm, während sich die Toleranz eines herkömmlichen Kopfes auf ca. 2 mm beschränkt. Es ist zu beachten, dass größere Beschriftungsbereiche eine größere Fokustoleranz zulassen.

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Autor

Santo Mario Esposito

Ingenieur für mechanische Systeme

Autor

Ciro Tucci

Ingenieur für mechanische Systeme

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