Der 3-Achsen-Kopf: Vorteile und Grenzen dieser Technologie

Die Ursprünge des Kopfes mit drei Achsen

Die Beschriftung nicht planer Oberflächen ist das Forschungs- und Entwicklungsprojekt, mit dem LASIT im Juni 1990 ins Leben gerufen wird und heute stolz darauf ist, nach dem US-amerikanischen Unternehmen General Scanning, weltweit das zweite Unternehmen zu sein, das einen 3-Achsen-Kopf entwickelt und gebaut hat. Von 1990 bis 2000 haben wir über 90% unserer Beschriftungslaser mit dieser Technologie ausgestattet, die wir immer im Hinblick auf die unterschiedlichen Branchenanforderungen immer anpassungsfähiger gestaltet haben.

Die Laserbeschriftung gelingt dann besonders gut, wenn der Laserspot perfekt senkrecht zur Fläche steht und die ganze Energie auf einen Punkt konzentriert, der einen bestimmten Durchmesser mit variabler Toleranz hat.

Da aber viele Komponenten weder flach noch regelmäßig geformt sind, wurde die Drei-Achsen-Technologie entwickelt, die eine hohe Fokussierung des Laserstrahls auf zylindrische, unregelmäßige oder große Flächen ohne manuelles Nachsetzen des Lasers gewährleistet. War früher die Brennweite fest und unveränderlich, so können wir heute die 3D-Formen per Software steuern und programmieren.

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Laserbeschriftung mit hoher Geschwindigkeit und Präzision

Mechanisch besteht der Dreiachsenkopf von Lasit aus einem Linearmotorsystem, zwei rotierenden X- und Y-Achsen, die den Laserstrahl entlang der Achsen bewegen, und einer dritten Achse zur Fokussierung: Der Laserstrahl durchläuft ein Objektiv mit beweglichen Linse, die wiederum auf einem Linearumsetzer montiert ist. Die Bedienung erfolgt dabei automatisch über die FlyCAD-Software.

Das Herzstück des Drei-Achs-Kopfes ist der optische Aufbau, der je nach Art der Anwendung und den Anforderungen der Applikation variiert: Das System kann sich an die Größe des Arbeitsbereichs und die Größe des benötigten Laserspots anpassen.

Die Abtastspiegel befinden sich hinter den Objektivlinsen. Der reine Laserstrahl tritt durch die dynamische Aufweitungslinse in das optische System ein. Die Objektivlinsen zeichnen den von den dynamischen Aufweitungslinsen gebildeten Gaußschen Strahl auf der Zielebene nach. Die Bewegung der dynamischen Aufweitungslinsen durch den Linearübersetzer variiert den Abstand der Brennebene und damit den dynamischen Fokus. Die Spiegel (MX und MY) – die sich im XY-Scan-Modul befinden – beugen den Strahl und richten ihn  zum Scannen der Arbeitsfläche aus.

Wann kommt er zum Einsatz?

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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Hängt der erste Wert (Beschriftungsbereich) ausschließlich von der Gestaltung des Kopfes ab (der sich je nach Vorlage neu fokussieren kann), so ist der zweite Wert (Fokussierungstoleranz) hingegen variabel und abhängig von einigen externen Faktoren. Dazu gehören:

  1. Das Beschriftungsmaterial: Materialien wie Stahl lassen sich mit einem Defokus bis 5 oder 6mm beschriften, für natürliches Aluminium hingegen ist eine Positionierung mit exakt der korrekten Brennweite erforderlich;
  2. Das verwendete Objektiv: Je nach dem erhält man ein größeres oder kleineres Feld zwischen 100 und 400mm. Bei der entsprechenden Auswahl geht es in erster Linie um den geforderten Beschriftungsbereich, aber nicht nur;

Tatsächlich hängt die Wahl des Objektivs auch von der Bearbeitung ab, die ausgeführt werden soll, sowie von der gewünschten Toleranz. Ein großes Objektiv wird oft als „lang“ definiert, da es über eine größere Schärfentiefe verfügt. Grundsätzlich lässt sich durch die Verwendung einer langen Brennweite oft das Problem der Toleranz überwinden.

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System mit telezentrischem Objektiv (zwei Achsen)

Das System mit telezentrischem Objektiv, das in der Regel FFL (Flat field lens) genannt wird, nutzt die optischen Eigenschaften des Objektivs, um die Fokussierung auf der Arbeitsfläche konstant zu halten. Es hat den Vorteil, dass nur die kleinen Spiegel bewegt werden und es somit sehr schnell funktioniert.

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Hybridkopf mit drei Achsen (dynamische Z-Achse)

Die Abbildung zeigt ein System mit drei Achsen, bei dem die dritte Achse nur für die Veränderung des Brennpunkts verwendet wird. Eine Linse auf der Linearachse ermöglicht in Kombination mit der nächsten Linse die Veränderung des Fokus. Sofort im Anschluss befindet sich das galvanometrische System der X- und Y-Achse zur Bewegung des Laserstrahls im Beschriftungsbereich, der durch das FFL Objektiv bestimmt wird. Ohne die Bewegung einer externen, mechanischen Z-Achse sind wir somit in der Lage, nicht plane, verschieden hohe oder zylinderförmige Oberflächen zu beschriften, was das gesamte Verfahren im Vergleich zur Bewegung des ganzen Laserkopfes enorm beschleunigt.

Vorsicht vor Täuschung

Häufig haben wir schon Informationen über dreiachsige Köpfe gesehen, die als Werbung in Umlauf gebracht werden, technischer aber nicht fundiert sind. Deshalb möchten wir an dieser Stelle erklären, worin das wahre Potenzial des Drei-Achsen-Kopfes liegt und welche Vorteile wir daraus ziehen können. Gleichzeitig zeigen wir auch seine Grenzen auf.

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Was er kann
Was er nicht kann

Beim Betrachten der Abbildung wird deutlich, dass das wahre Problem nicht die Änderung der Fokussierung ist (die wir mit dem dreiachsigen Kopf ja kompensieren können), sondern der Einfallswinkel.

Im Beispiel sehen wir, dass der Strahl bei 150° (±75°) die Komponente nicht genau erfasst und die Energie nicht auf die Oberfläche trifft. Das heißt, der Prozess kann nicht ausgeführt werden.

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Datum der Veröffentlichung: 02/10/2019

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