Wer Pumpen und Ventile herstellt, kennt ein immer wiederkehrendes Problem beim Markieren: Das Teil, insbesondere wenn es groß ist oder eine komplexe Geometrie aufweist, bietet selten eine ebene Fläche parallel zur Fokusebene des Lasers. Gegossene Ventilkörper, Flanschverbindungen, Armaturen mit ausgeprägten Krümmungen, Stufen zwischen einem bearbeiteten und einem unbearbeiteten Teil, Hydraulikblöcke mit Hohlräumen und Entlastungen: In all diesen Fällen kann der zu markierende Bereich in der Höhe um bis zu mehrere Millimeter in Bezug auf die Fokusreferenz variieren. Bei einem herkömmlichen zweiachsigen Abtastkopf bleibt der Strahl nur innerhalb einer begrenzten Schärfentiefe im Fokus, die je nach Brennweite im Allgemeinen zwischen 1 und 4 mm liegt. Außerhalb dieses Bereichs verliert die Markierung an Schärfe, der Kontrast nimmt ab und im schlimmsten Fall ist der Datamatrix-Code weder lesbar noch entspricht er den geforderten Sortierklassen.
Der 3D-Kopf oder Drei-Achsen-Kopf wurde entwickelt, um diesen Bedarf zu decken: um Oberflächen, die nicht flach sind, gleichmäßig zu markieren und den korrekten Fokus auf schräge, gekrümmte, gestufte oder dreidimensionale Geometrien im wahrsten Sinne des Wortes zu erhalten.
Wie ein Drei-Achsen-Scankopf funktioniert
Ein herkömmlicher Scankopf bewegt den Laserstrahl über zwei galvanometrische Spiegel, die ihn entlang der X- und Y-Achse innerhalb eines durch den Fokus definierten Markierungsbereichs ablenken (typischerweise Ø100, Ø160, Ø254 oder Ø330 mm in unseren gängigsten Konfigurationen). Der Fokus ist fest: er wird zu Beginn des Prozesses mechanisch eingestellt und bleibt während der gesamten Markierung unverändert.
Ein 3D-Kopf fügt vor den beiden Spiegeln ein drittes bewegliches optisches Element hinzu, normalerweise eine motorisierte Divergenzlinse, die auf der optischen Z-Achse positioniert ist. Dieses Element variiert dynamisch die Divergenz des Strahls, bevor er abgelenkt wird, und moduliert so die Position der Brennebene entlang der vertikalen Achse in Echtzeit. Die Markierungssoftware steuert die Bewegung der Linse synchron mit den beiden X-Y-Galvanometern, so dass der Strahl auch auf Oberflächen, die von der Nennebene abweichen, im Fokus bleibt, ohne dass das Teil oder der gesamte Kopf mechanisch bewegt werden muss.
Dasselbe Prinzip ermöglicht es auch, die nützliche Schärfentiefe im Vergleich zu einem 2D-Kopf zu erweitern und je nach optischer Konfiguration auf Volumina von bis zu 50-100 mm Z-Bereich innerhalb desselben Markierungsbereichs zu arbeiten.
Warum es auf Ventilkörpern und Pumpen benötigt wird
Bei Hydraulik- und Fluidtechnikkomponenten sind die typischen Fälle anders. Bei großen Ventilgehäusen erfolgt die Markierung der Seriennummer und der Datamatrix häufig auf einer gegossenen oder bearbeiteten Unterlage, die nicht immer perfekt parallel zum Referenzflansch verläuft, vor allem, wenn Sie auf einem Rohling markieren. Bei Verteilerblöcken führt die Kombination von Gewindelöchern, Fräsungen und rauen Oberflächen zu stark variierenden Z-Maßen im selben Markierungsfeld. Bei Pumpen werden häufig zylindrische Körper bearbeitet, bei denen die Krümmung einen nicht zu vernachlässigenden Höhenunterschied zwischen der Mitte und den Rändern der Markierung erzeugt.
In all diesen Szenarien ermöglicht der 3D-Kopf die Markierung der gesamten Grafik in gleichmäßiger Qualität. Dabei werden sowohl die typischen Artefakte einer unscharfen Markierung (verblassende Zeichen, DMC-Codes mit nicht aufgelösten Zellen) als auch die Notwendigkeit, die Markierung in mehrere Durchgänge aufzuteilen und das Teil mechanisch neu zu positionieren, vermieden.
Selbst für kleine Ventile und Armaturen, bei denen auf den ersten Blick ein Standardkopf ausreichen würde, ist der Einsatz des 3D-Kopfes sinnvoll, wenn Sie über einen großen Umfangsbogen markieren. In diesem Fall macht die Krümmung des Werkstücks die Markierung an beiden Enden schnell unscharf: Mit einem 3D-Kopf wird die gesamte gekrümmte Markierung direkt bearbeitet, ohne dass zusätzliche Drehachsen erforderlich sind, was sich deutlich positiv auf die Zykluszeit auswirkt.
Integration von Inline- und Roboterzellen
Der bemerkenswerteste Aspekt des 3D-Kopfes ist seine Flexibilität bei der Integration. Die Tatsache, dass der Fokus optisch und nicht mechanisch gesteuert wird, bedeutet, dass der Kopf in festen Positionen installiert werden kann, sogar an der Spitze eines anthropomorphen Roboters, und dass er an Teilen unterschiedlicher Form arbeiten kann, ohne komplexe Bewegungen zu erfordern.
Ein konkretes Beispiel: Eine Zelle zur Markierung großer Pumpenkörper kann aus einem Ladetisch, einem Bildverarbeitungssystem zur Erkennung und Lokalisierung des Teils und einem sechsachsigen Roboter bestehen, der den 3D-Kopf in die Markierungszone bringt. Nach der Positionierung des Roboters ist es der Kopf selbst, der durch den Antrieb der drei optischen Achsen die Geometrie des Teils verfolgt. Konfigurationen dieser Art sind bei Automobil- und Hydraulikgussteilen im Einsatz, mit 50-W-Faserlasern, integrierten Bildverarbeitungssystemen und Zyklen, die sowohl die Markierung als auch die Code-Sortierung gemäß AIM-DPM und ISO/IEC 15415 umfassen.
Bei Linien, bei denen die Maßtoleranz des Teils signifikant ist – ein häufiger Fall bei Gießerei-Rohlingen, bei denen Höhenunterschiede von Zehnteln und manchmal Millimetern zwischen einer Komponente und einer anderen auftreten können – wird der 3D-Kopf oft mit einem Autofokussensor (typischerweise ein Laser-Distanzsensor) kombiniert, der das tatsächliche Maß misst und den Arbeitstisch vor der Markierung neu kalibriert. Die Kombination aus dem Autofokus für die absolute Kalibrierung und dem 3D-Kopf für die Punkt-zu-Punkt-Modulation garantiert die Wiederholbarkeit des Prozesses auch bei maßlich ungleichmäßigen Chargen.
Wenn der 3D-Kopf nicht die beste Wahl ist
Es lohnt sich, dies klar zu sagen: Der 3D-Kopf ist nicht immer die richtige Antwort. Wenn das Werkstück flach, klein und mit minimaler Z-Variabilität ist, ist ein Standardkopf in Verbindung mit einer mechanischen Z-Achse im Allgemeinen einfacher und robuster. Auch für die Kennzeichnung von Typenschildern – eine Lösung, die viele Hersteller von großen Ventilen und Pumpen der direkten Kennzeichnung auf dem Gehäuse vorziehen – bringt der 3D-Kopf keine Vorteile, da die Oberfläche flach ist und die zusätzliche optische Investition sich nicht in einem Qualitätsgewinn niederschlägt.
Der 3D-Kopf ist daher sinnvoll, wenn mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: eine wirklich dreidimensionale Oberfläche, lokale Höhenunterschiede, die größer sind als die Tiefenschärfe des Brennpunkts, Teile, die in einer nicht perfekt wiederholbaren Position geladen werden, Integration in Roboter mit mehreren Posen oder die Notwendigkeit, große Bereiche auf zylindrischen Körpern zu markieren.
Fehler, die Sie in der Entwurfsphase vermeiden sollten
Drei praktische Tipps für alle, die ein 3D-Kopfsystem in Erwägung ziehen. Erstens: Legen Sie von Anfang an die Höhenkarte des Markierungsbereichs fest, denn daraus ergibt sich die Größe des nützlichen optischen Z-Hubs und die Wahl der richtigen Brennweite. Kurze Brennweiten (FFL100, FFL160) bieten eine größere Energiedichte, aber einen kleineren Markierungsbereich, lange Brennweiten (FFL254, FFL330) ermöglichen es Ihnen, große Bereiche abzudecken, müssen aber auf die vom Material benötigte Leistungsdichte geprüft werden, insbesondere bei Messing. Zweitens: Prüfen Sie sorgfältig die Wiederholbarkeit der Werkstückpositionierung. Wenn die Position von Bauteil zu Bauteil stark schwankt – wie es typischerweise bei Gießerei-Rohlingen oder bei frei auf der Ebene geladenen Körpern der Fall ist – reicht der 3D-Kopf allein nicht aus: Er muss von einem Autofokus- oder Vision-System flankiert werden, das die Referenz vor jeder Markierung neu kalibriert. Drittens: Testen Sie im Labor an echten Teilen, nicht an Simulationen. Die Reaktion von rostfreiem Stahl, Messing- oder Aluminiumguss mit denselben Laserparametern ist sehr unterschiedlich, und eine Bewertung an realen Materialien und Geometrien ist nach wie vor der zuverlässigste Weg, um Leistung, Brennweite und Markierungszyklus richtig zu bemessen.
Zusammengefasst
Wenn Sie mit Ventilkörpern, Pumpen oder Hydraulikblöcken arbeiten, die sich durch nicht ebene Oberflächen, erhebliche Höhenunterschiede im Markierungsbereich oder ausgedehnte zylindrische Geometrien auszeichnen, ist der 3D-Kopf die Technologie, mit der Sie die Gleichmäßigkeit der Markierung, die Lesbarkeit des Codes und kurze Zykluszeiten beibehalten können, während Sie zusätzliche mechanische Bearbeitung vermeiden. Bei flachen und wiederholbaren Teilen bleibt ein Standardkopf die vernünftigste Wahl.