Laser Die Cutting: Technischer Ratgeber: Anwendung moderner Laser-Schneid-Technologie für die Anforderungen von heute; Der Siebdruck; March 2009

Technischer Ratgeber: Anwendung moderner Laser-Schneid-Technologie für die Anforderungen von heute

Von Markus Klemm, Software Entwicklungs-Ingenieur, Spartanics

Laserschneiden, ist digitales Schneiden (Stanzen) und erfordert kraftvolle Laser um die Materialien innerhalb des Laserstrahls zu verdampfen. Somit fällt kein Schnittabfall an, wie es beim konventionellen Schneiden/Stanzen üblich ist. Das Ein- und Ausschalten, sowie das Führen des Laserstrahls ermöglichen den gewünschten Schnitt.

Diese Fakten des Laserschneidens sind heute genauso gültig wie beim Laser-Ersteinsatz in den 80er Jahren. Es hat jedoch, durch Verbesserung der Laser-Schneidtechnologie – und hier insbesondere durch aufwendige Weiterentwicklung der Software – wesentliche Verbesserungen hinsichtlich der Qualitäten des Schneidens gegeben. Heutzutage bieten preiswerte Laser-Schneidesysteme in denen preiswerte Komponenten verbaut wurden, ein weit größeres Leistungsspektrum als in den vorherigen Entwicklungen. Die heutigen neuen Laserschneidesysteme können dauerhaft komplexe Schneidformen aus einer großen Anzahl verschiedener Substrate (Folien/Papier) mit sehr engen Toleranzen schneiden.

Die grundsätzliche Entscheidung in eine Laser-Schneidtechnologie zu investieren heißt Lasergeräte auszusuchen die den heutigen Anforderungen entsprechen. Man findet Laser im Markt die Zugeständnisse hinsichtlich Qualität und Produktionsmenge erfordern aber nicht unbedingt die Erwartungen in Qualität und Leistung erfüllen. Andererseits gibt es kostengünstige Laser-Schneidesysteme mit integrierten Anwendungsprogrammen, für das einfache Abarbeiten eines Jobs.
In diesem Ratgeber wollen wir die verfügbare Laser-Schneidtechnologie mit den gestellten Anforderungen vergleichen und die verschiedenen Eigenschaften von Laser-Systemen, die die Forderungen nach Qualität und Durchsatz erfüllen, siehe Bild 1: den Laser-Vergleich.

Die Wahl zwischen Laser-Schneiden und normalem Stanzen

Ein erster Schritt zur Bewertung des Laser-Schneidens ist die Untersuchung, ob Lasern zweckmäßig für die Weiterverarbeitung ist.

Es gibt eine Reihe von Vorteilen die das Laser-Schneiden gegenüber dem konventionellen Stanzvorgang bietet. Viele dieser Vorteile sind darin begründet, dass beim Lasern keine Schneid- oder andere Werkzeuge benötigt werden; werkzeugloses Arbeiten bedeutet zum Beispiel keinen Zeitaufwand und damit Produktionsverzögerungen für die Herstellung der Stanzwerkzeuge. Das ist ein wesentlicher Grund dafür dass Laser sich ideal für die Herstellung von Prototypen (Musterfertigung) eignen. Laser-Schneidesysteme werden auch als „digitales Stanzen“ bezeichnet da sie jede vektorbasierende digitale Form in ihre Software übernehmen. Moderne Laser-Schneidesysteme melden Produktionsbereitschaft für digitales Formenschneiden in wenigen Minuten. Der Begriff „digitales Stanzen“, gleichbedeutend mit Laser-Schneiden, ist die ideale Ergänzung zu digitalen Druckmaschinen. Diese Kombination ermöglicht dem Anwender die Herstellung vom Entwurf bis zum fertigen Produkt in wenigen Stunden, bei Kleinmengen sogar noch in kürzeren Zeiten.

Bei werkzeugabhängigen, mechanischen Stanzen gibt es immer spezifische Einschränkungen zwischen Werkzeug und dem zu schneidendem Material. Ein Laser kann die verschiedensten Materialien schneiden die nur sehr schwierig oder gar nicht mit der Stanze bearbeitet werden können. Selbstklebendes Material ist beispielsweise weitaus leichter zu Lasern, da mechanische Werkzeuge verkleben würden. Ferner können werkzeuglose Laser äußerst dünne Substrate verarbeiten bei deren Anwendung die Registergenauigkeit zum Druck nicht wie durch das Gewicht des Werkzeugs bei Stanzen beeinflusst wird. Ein weiterer Vorteil bei grobem Material ist, dass die Schneidwerkzeuge nicht stumpf werden und ersetzt werden müssen, was Kosten vermeidet. Auch hier ist der werkzeugfreie Laser klar im Vorteil.

Das Bearbeitungs-Spektrum von Laser-Systemen ist erheblich: Perforieren, Markieren, Anstanzen, Durchstanzen, fortlaufend Nummerieren, Rillen (z.B. zum Falzen), um nur einige zu nennen. Moderne Laser-Schneidtechnologie verwendet eine hochentwickelte Software zur exakten Kontrolle der Laserleistung sowie der Laserstrahlführung für genaue Bearbeitung. Die einzige physikalische Einschränkung bei Laser-Schneidsystemen ist der Durchmesser (Spot) des Laserstrahls – 210 Mikron z.B. bei guten Lasersystemen.. Jedes normale Stanzsystem hätte Schwierigkeiten bei Winkeln unter 30°, nicht jedoch der Laser. Beim Laserschneiden sind, im Gegensatz zum konventionellen Stanzen, keine „Nasen“ erforderlich zum Ausstanzen von Einzelnutzen (z.B. Formteile, Etiketten etc.) Teile-Absaugung.

Laser-Schneidsysteme haben Einschränkungen wie andere Technologien auch. Es gibt Meinungen, dass Laserschneiden nur zur Prototypen-Fertigung sinnvoll sind und nicht für eine Produktion geeignet.
Moderne Laser-Schneidsystem werden jedoch für die komplette Weiterverarbeitung eingesetzt. Heute verwendete Lasermaschinen benutzen Scanköpfe (Galvanometer) die den Laserstrahl mit Hilfe von Spiegeln führen. Galvo-Systeme sind erheblich schneller als X/Y Plottersysteme die den Laserkopf entlang der Schneidkontur bewegen. Aufgrund der wesentliche geringeren Masse der Spiegel erreichen Galvo-System wesentlich höhere Schneidgeschwindigkeiten. Je höher die Watt-Leistung des Lasers ist, desto schneller kann die Schneidgeschwindigkeit sein.
200 bis 400 Watt-Laser, die noch vor ca. 5 Jahren außerordentlich teuer waren, sind heute preiswert. Diese neue Laser-Generation produziert einen qualitativ hochwertigen Laserstrahl und ist die Basis zur Erreichung einer hohen Schneidgeschwindigkeit in Verbindung mit einem Galvo-System. Als Ergebnis der verschiedenen Verbesserungen, besonders im Geschwindigkeitsbereich, können Laser heute nicht nur bei der Musterfertigung eingesetzt werden, sondern auch in der Produktion.
Ein weiteres Gerücht, dem man begegnet ist, dass Laserschneiden ein gefährlicher Vorgang ist und damit Sicherheitsrisiken am Arbeitsplatz beinhaltet.
Die heutigen Laserschneidsysteme auf Galvo-Basis sind sogenannte geschlossene Systeme und unterliegen somit der Lasergefahrenklasse 1.

Weder beim Stanzen noch beim Laser können alle Materialien problemlos bearbeitet werden.
Polycarbonat war früher nicht mit dem Laser zu bearbeiten, da Laser an der Schneidkante von Ecken braune Brandspuren verursachten. Das gilt noch für sehr dickes Polycarbonat, nicht jedoch für dünnere PC-Folien.

Eine Laserschneidmaschine sollte grundsätzlich als eine Ergänzung zum konventionellen Stanzen gesehen werden.
Bei Großserien in der Etikettenindustrie sind die Geschwindigkeiten schneller bei einer konventionellen Stanze gegenüber einer Laserbearbeitung.
Die Stärken des Lasers liegen in der Personalisierung für jedes einzelne Etikett, spitzen Radien (Ecken), komplizierte Stanzformen, Durchbrüche (Stanzlöcher) im µ-Bereich. Weiterhin kann Anstanzen, Durchstanzen und Markieren in einem Arbeitsschritt für jedes Etikett individuell gestaltet und abgearbeitet werden. Ein weiterer Vorteil dieser werkzeuglosen Bearbeitung ist der Einsatz auch für harte Oberflächen (Schmiergelpapier), offenen Kleber usw. Da keine Werkzeuge benötigt werden sind Auftragswechsel per Knopfdruck innerhalb von Sekunden möglich. In der Zeit wo ein Werkzeug angefertigt und geliefert wird, ist der Auftrag mit einem Laser schon lange am Laufen und u.U. schon beendet.
Kurzfristige Abänderungen der Motivkontur, Fehler bei der Werkzeugerstellung, sind bei Einsatz mit einem Laser innerhalb von wenigen Minuten erledigt.

Qualität und Soft Marking Standards

Vor einigen Jahren entwickelte Laser-Schneidsysteme konnten häufig die Anforderungen für das Laserschneiden komplexer Formen nicht zufriedenstellend erfüllen, besonders bei spitzen Radien (Ecken) in der Geometrie. Noch heute werden einfache Laser-Systeme angeboten die kleinere oder größere Qualitätsprobleme beim Schneiden aufweisen; Löcher oder verbrannte Schneidkanten beim Betrieb des Lasers sind typische Erkennungsmerkmale.

Hier sind die verräterischen schwarzen Verbrennungen (durchschneiden / Löcher) bei Ecken sichtbar, hervorgerufen durch eine zu lange Brenndauer auf einem Punkt. Dies ist vergleichbar mit einem Auto das abbiegt und seine Geschwindigkeit verringern muss. Beim Laser ist das ähnlich und führt zum durchschneiden an kritischen Punkten.

Bild 5 zeigt ein umgekehrtes Problem: beim Versuch das Durchschneiden gemäß Bild 4 zu vermeiden, wurde die Geschwindigkeit des Laserstrahls in diesem Bereich beschleunigt. Hierbei geht jedoch die Kontrolle über Laserstrahlführung aufgrund der Spiegelmassen zum Teil verloren. Anstatt der scharfen Ecken in der vorgegebenen Form wurden die Ecken gerundet.

Verbesserungen in neu entwickelter Anwender-Software (keine Standard-Software) heutiger Laser vermeiden diese aufgezeigten Probleme.

Mit Hilfe von Soft Marking zum Beispiel sind diese Probleme vermeidbar. Laserbewegungen werden weitaus besser kontrolliert und synchronisieren mit der vorgegebenen Form. Dadurch wird das Durchschneiden bei spitzen Winkeln und beim Laser-Start und –Stop vermieden, wie in Bild 6 und 7, als fertiges Produkt, gezeigt.

Ältere Systeme verursachten oft Löcher (Durchschneiden) bei Start und Ende einer Schneidlinie. Diese ist bedingt dadurch, das es einen Augenblick dauert bis der Scankopf (Spiegel die den Laserstrahl steuern) sich durch die Materialträgheit, vom Startpunkt weg bewegt bzw. bei Stop des Schneidvorganges. Heutige Qualitäts-Laser-Systeme schneiden spitze Ecken, vermeiden Durchbrennungen beim Start und Stop. Das ist nicht zurückzuführen auf bessere Laser, sondern auf verbesserte Algorhythmen, die die Laser steuernden Spiegelbewegungen kontrollieren. Es waren die Hersteller von kompletten Laser-Schneid-Systemen, die unter erheblichem Aufwand die vorhandene Software soweit verbesserten, dass fehlerfreies Soft Marking, für fast alle gängigen Anwendungen verfügbar ist.

Die Bilder 8, 9, 10 und 11 zeigen das Schneiden einer kleinen Faltschachtel mit einem CO2 Laser und wie die Schneidparameter die Qualität beeinflusst. In Bild 8 ist die Frequenz des Lasers niedrig (10 kHz) und die Schneidgeschwindigkeit hoch. Dadurch erscheint eine durchgehende Linie als gepunktete Linie. Jeder Laserimpuls wird somit sichtbar, da es sich bei einem CO2 Laser immer um einen gepulsten Laser handelt.

Gezeigt wird in Bild 9 ein Ergebnis bei dem ohne Algorhythmen zur Optimierung der Spiegelführung innerhalb der Software gearbeitet wurde. Bedingt durch hohe Schneidgeschwindigkeiten, wurden hier die Ecken abgerundet. Das Problem vergrößert sich noch, wenn die Schneidegeschwindigkeit verdoppelt wird, siehe Bild 10.

Demgegenüber zeigt Bild 11 eine stark verbesserte Qualität: das Laser-Schneidesystem ist ausgelegt auf die Geschwindigkeit und die Geometrie und optimiert die Laser-Schneidleistung. Hier sind die Algorhytmen der Software optimal abgestimmt auf Geometrie und Geschwindigkeit.

Verbesserte Qualität in modernen Laser-Systemen bedeutet nicht nur saubere spitze Ecken sondern beständige sehr gute Druck-zu-Schnitt Genauigkeit, ermöglicht durch neue Standards der System-Integration bei führenden Herstellern von Laser-Schneidmaschinen.

Frühere Systeme hatten nur eingeschränkte Möglichkeiten Motivverdrehungen im Arbeitsbereich auszugleichen. Fortschrittliche Systeme von heute sind nicht nur mit Kameras ausgerüstet, sondern geben die Kamerainformationen an die Laser-Software, die den Schneidvorgang überwacht.

Das heißt, wenn die Kamera Systeme X/Y Abweichungen feststellen, werden diese Abweichungen durch die Laser-Software korrigiert. Laser-Schneidesysteme ohne Kameraausrüstung können diese Korrekturen nicht so exakt durchführen. Systemintegrierte Komponenten (Kamera, Maschinensteuerung, Scankopf) kommunizieren untereinander und sind der Schlüssel für fortschrittlichste Laser-Bearbeitungssysteme.

Auch die Qualität des Laserstrahls trägt zu einem guten Ergebnis bei. Heutige Laser mit kleinem Laserstrahldurchmesser (z.B. 210 Mikron) gewährleisten scharfe Schnitte, wenn die Software moderne Algorhytmen zur Führung des Laserstrahls verwendet. Qualitativ hochwertige Laser kombiniert mit spezifischer Software vermeiden Überhitzung, die besonders das Bearbeiten von Etikettenmaterial unmöglich machen kann. Z.B. wenn sich Klebefolien mit dem Trägerpapier verschmelzen und dadurch das automatische Spenden (Lösen) vom Trägerpapier in der Produktion erschwert wird. Bei Verwendung eines offenen Lasertyps kann nach einem Flaschenwechsel (CO2 Tank) die Schnittqualität und Laserleistung leicht variieren.

Im Gegensatz dazu gibt es beim geschlossenen Laser keine gravierenden Gasveränderungen. Ein geschlossener Laser hat eine Lebensdauer von über 10.000 Betriebsstunden. Anfangs ist die Laserleistung höher als die Nominelle und fällt langsam im Laufe der Lebensdauer. Nach circa 10.000 Betriebsstunden liegt die maximale Laserausgangsleistung knapp unter der Nominellen. Dadurch ermöglicht der geschlossene Laser eine lange, gleichbleibende Laserschneidqualität.

Laserschneid- und Materiallaufgeschwindigkeit

Moderne Laser-Schneidesysteme sind schnell; dafür gibt es eine Reihe von Gründen. Einer davon ist dass kraftvolle Laserquellen erschwinglich sind. Dadurch werden die meisten Anwendungen mindestens mit einem 200 Watt Laser (oder höher) arbeiten. Zweitens wird durch Einsatz höherwertiger Laser-Software, welche anspruchsvollere Algorhythmen verwendet, die Laserbearbeitungszeit extrem verkürzt.

Höherwertige Laser-Schneidesysteme optimieren mit ihrer Software die Schneidvorgänge vollautomatisch und erreichen damit wesentlich höhere Materiallaufgeschwindigkeiten. Um den Einfluss der Software auf die Materiallauf-geschwindigkeit darzustellen nehmen wir das Beispiel einer US Landkarte, gezeigt in
Bild 12 und 13.

Die blau gepunktete Linie stellt die Lasersprünge dar. Lasersprünge sind Positionierbewegungen (ohne Laserleistung) vom Ende eines Schneidvorganges zum Anfang des Nächsten.

Bild 12 zeigt diesen Vorgang ohne Optimierung durch die Software. Ohne Optimierung geschieht das Schneiden in der Reihenfolge wie sie in der Arbeitsvorbereitung, z.B. mit Hilfe von Autocad, erstellt wurden. Durch die nichtoptimierte Schnittsequenz ist die Gesamtbearbeitungszeit hier so langsam, dass die US-Landkarten nur intermittierend geschnitten werden kann. Ein bedeutender Fortschritt wird in Bild 13 gezeigt. Hier wurde durch Einsatz der automatischen Sprung-Optimierung einer höherwertigen Laser-Software die Bearbeitungszeit drastisch reduziert, und somit wird eine höhere Bahnlaufgeschwindigkeit erreicht

Diese Optimierung kann während des Einrichtens des Jobs bestimmt werden, also noch vor dem Starten des eigentlichen Jobs.

Ein weiterer Schritt in der Erhöhung der Materiallaufgeschwindigkeit während des Job-Einrichtens wird in Bild 14 und 15 gezeigt. Hier ist die maximale Materialgeschwindigkeit 17% höher im Vergleich zu Bild 13 und wird erreicht durch Teilung des Motives in zwei separate Bilder, mit automatischer Sprung-Optimierung.
Diese Teilung wurde automatisch durch die Software vorgenommen, d.h. die Software bestimmt, ob eine Aufteilung sinnvoll ist und wenn ja, ob in zwei, drei oder mehr Teilbilder. Während des Laservorgangs werden die Teilbilder wieder nahtlos zusammen gesetzt. In unserem Beispiel der US Landkarte erfolgte die Bildteilung zur Maximierung der Materialgeschwindigkeit. Es ist aber auch möglich ein Motiv zu schneiden, dessen Abmessungen über die Länge des Laser-Arbeitsfeldes hinausgehen.

Es ist wichtig nicht durch die Hersteller-angaben über Schneidegeschwindigkeit verunsichert zu werden, da diese nicht alleine Einfluss auf die tatsächliche Materiallaufgeschwindigkeit hat. Die Materiallaufgeschwindigkeit ist jedoch ausschlaggebend für die Produktion. Bild 16 zeigt eine Figur mit Wellen und Rändern die mit älterer Software-Technologie die nicht für schnelleren Bahnlauf optimiert werden kann. Bild 17 zeigt die Bearbeitung mit neuester Software, welche eine Optimierung für max. Materiallaufgeschwindigkeit erlaubt. Die Gesamtmarkierzeit beträgt bei beiden Bildern ca. 0,6 sec. Dagegen erreicht die Materiallaufgeschwindigkeit bei Anwendung der älteren Software (Bild 16) nur ca. 9% dessen, was mit Hilfe neuester Software-Technologie möglich ist (Bild 17).

Bilder 18, 19 und 20 stellen das Schneiden von drei Reihen des Spartanics Logos dar. Dieses sind weitere Vergleiche zwischen verschiedenen Arten der Optimierung, sowie einer Nichtoptimierung. Bild 18 zeigt die nicht optimierte Version, so wie sie direkt nach dem Importieren der Grafik in die Lasersoftware aussieht. Hier ist die Reihenfolge der Laserführung unorganisiert, was durch die blau gestrichelten Line dargestellt ist. Die Abarbeitung der Schneidfolgen ist nicht optimiert. Das ist die schlechteste Lösung und zeigt, wie Laserschneider ohne neu entwickelte Lasersoftware arbeiten. Hier beträgt die Gesamtmarkierzeit nur 37% dessen was in Bild 19 erreicht wird. Bild 19 wurde eine Optimierung auf kürzeste Gesamtmarkierzeit angewandt.
Bis vor kurzem war dies das beste Ergebnis das man mit Laser-Anlagen erreichen konnte.
Heute ist mit Hilfe modernster Algorithmen ein neuer Level an Optimierung machbar. Dieses gilt insbesondere bei der Schneidbearbeitung während des kontinuierlichen Materiallaufs (Marking on the Fly), wie z.B. bei Rolle-zu-Rolle-Systemen, als auch für die neueste Generation der Bogenlaser-Bearbeitung. In diesen neuesten Laser-Bogen-Systemen, wird der Bogen, wie beim Rollensystem, kontinuierlich durch das Arbeitsfeld geführt und gleichzeitig bearbeitet.
Der neue Level besteht darin, die max. Materiallaufgeschwindigkeit durch die Optimierung der Schneidsequenzen herzustellen (Bild 20). Die kürzeste Gesamtmarkierzeit ist nicht unbedingt gleichbedeutend mit der max. erzielbaren Materiallaufgeschwindigkeit.

Wenn z.B. die Bahn kontinuierlich (MOTF) von rechts nach links läuft bedeutet dies, dass die Figurengeometrie außen links zuerst geschnitten werden muss, da diese zuerst aus dem Bearbeitungsfeld transportiert wird. Wenn diese nicht der Fall ist, muss die Materiallaufgeschwindigkeit drastisch reduziert werden, damit die linke Seite noch innerhalb des Arbeitsfeldes geschnitten werden kann. Bei einer Optimierung ausschließlich auf die kürzeste Gesamtmarkierzeit (Bild 19) ist dieses nicht gewährleistet.

Bild 20 erreicht mit Hilfe der neuesten Software eine 350%ige Steigerung der Materiallaufgeschwindigkeit im Vergleich zu Bild 19. Für Preiskalkulation, Rentabilitätsberechnungen etc. ist die Materiallaufgeschwindigkeit ein maßgebender Faktor und nicht die kürzestes Markierzeit. Käufer von Laser-Schneidsystemen sind gut beraten

Aussagen zu „Schneidgeschwindigkeiten“, als auch zu „Gesamtmarkierzeiten“ zu vernachlässigen. Sie sollten statt dessen Wert darauf legen, dass die Anlage eine Systemsoftware der neuesten Generation beinhaltet, welche eine automatische Optimierung, ohne Hilfe des Bedieners, auf die Materiallaufgeschwindigkeit ermöglicht.

Um auch Bildmotive, die länger sind als das max. Arbeitsfeld schneiden zu können ist es notwendig eine höherwertige Software einzusetzen. Sie beinhaltet auch eine Automatik zur Erreichung der max. Materiallaufgeschwindigkeit, d.h. die Software erarbeitet automatisch, ob die Aufteilung der Länge eines Gesamtbildes in ein oder mehr Bilder am sinnvollsten ist.
Nur mit dieser höherwertigen Software wird außerdem bei der automatischen Aufspaltung des Bildes bis zu 90% der harten Schnitte vermieden. Harte Schnitte bedeuten in diesem Zusammenhang eine Aufspaltung in zwei oder mehr Objekte innerhalb einer kontinuierlichen Schneidlinie.
Beim späteren Wiederzusammensetzen der Teilbilder bedeuten harte Schnitte qualitative Einbußen. Bedingt durch das Starten und Stoppen an diesen Anschlusspunkten können Positionierungenauigkeiten sowie Verletzungen (Löcher) im Trägermaterial entstehen. Auch hierfür gibt es neueste intelligente Software (Soft-Marking) welche diese Probleme vermeidet. Im Übrigen wird das Soft-Marking auch eingesetzt bei Motiven mit sehr spitzen Ecken. Weiterhin sind durch das Aufspalten eines Motives Endlosbilder problemlos herstellbar.
Bisher galt die Faustregel, das die Länge eines Bildes max. die Hälfte des Arbeitsfeldes sein durfte, damit dieses Motiv noch im kontinuierlichen Materiallauf (MOTF) geschnitten werden konnte, ansonsten musste dieses Bild aufgeteilt werden.

Trugschluss des Vorteils von Doppel-Scanköpfen

Ein weiterer Bereich der beim nicht geübten Anwender Unklarheit über den Scankopf hervorrufen kann ist der Einsatz von Doppelkopfsystemen. Durch Einsatz dieser Systeme werden die Schneidgeschwindigkeiten erhöht. Dieses ist nicht die einzige und nicht unbedingt die beste Möglichkeit die Materiallaufgeschwindigkeit zu erhöhen. Ein Alternative sind hierzu die neuesten „High Speed“ Laserschneidmaschinen, die mit nur einem Scankopf ausgestattet sind und bis zu 100 m/min Materiallaufgeschwindigkeiten mit Hilfe fortschrittlicher Software erreichen.
Obwohl es logisch klingt, zwei Laser auf einmal zu benutzen um die Materiallaufgeschwindigkeit zu verdoppeln, können dabei erhebliche Qualitätsprobleme entstehen. Weiterhin wird nicht immer unbedingt hierbei die Geschwindigkeit verdoppelt. Dieses ergibt sich aus den physikalischen Einschränkungen und Kompromisse die eingegangen werden müssen, wenn zwei Scanköpfe nebeneinander angeordnet werden.

Wenn zwei Hälften eines Bildes auf einer Materialbreite bearbeitet werden, ist es oft so, dass auf einer Hälfte des Bildes mehr zu bearbeiten ist als auf der anderen Bildhälfte siehe Bild 21.

In so einem Fall muss ein Scankopf mehr abarbeiten als der Zweite. Das bedeutet, der eine Scankopf muss auf den Anderen warten, was zwangläufig zur Reduzierung der Materiallaufgeschwindigkeit führt. Trotz des Einsatzes von zwei Laserköpfen wird in diesem Beispiel nicht die gewünschte Verdoppelung der Materiallaufgeschwindigkeit erreicht.
Um dieses allseits bekannte Problem zu reduzieren, installieren die Hersteller zwei Scanköpfe so nah als möglich nebeneinander, um einen möglichst großen Überlappungsgrad zwischen beiden Arbeitsfeldern zu erzielen.

Um einen möglichst kleinen Spotdurchmesser (200um) auch bei einem großen Arbeitsfeld (>300mmx300mm) zu erreichen, müssen größere Scanköpfe eingesetzt werden. Selbst wenn diese Scanköpfe direkt nebeneinander positioniert werden, verringert sich der Überlappungsgrad der beiden Bearbeitungsfelder, da die Zentren der einzelnen Laserköpfe nun weiter voneinander entfernt liegen.
Ein reduzierter Überlappungsgrad erhöht die Wahrscheinlichkeit für harte Schnitte, d.h. das eine durchgehende Schneidlinie von beiden Scanköpfen bearbeitet wird. Dieses kann zu qualitativen Problemen führen (Genauigkeiten der Anschlusspunkte, Löcher…) wie bereits weiter oben beschrieben.

Falls alternativ zwei kleinere Scanköpfe, mit jeweils großem Arbeitsbereich, zusammen für ein größeres Gesamtbearbeitungsfeld eingesetzt werden gibt es größere Überlappung im Schneidbereich. Der Nachteil hierbei ist jedoch ein größerer Laserspot-Durchmesser, in der Regel um die 280 Mikron. Aus Qualitätsgründen ist dieser Spotdurchmesser nicht für alle Produktion geeignet.
Soll in diesem Fall der Spotdruchmesser dieses großen Gesamtbearbeitungsfeldes weiter verringert werden (kleiner als 250 Mikron), müssen die jeweiligen Arbeitsfelder der beiden Scanköpfe verkleinert werden um den Spotdurchmesser zu verringern. Um weiterhin die ursprüngliche Gesamtarbeitsfeldbreite zu erreichen, müssen die beiden Scanköpfe nun weiter voneinander positioniert werden
Daraus ergibt sich eine Verringerung des Überlappungsgrades, was wiederum die Wahrscheinlichkeit für harte Schnitte erhöht. Resultierend hieraus ergibt sich eine Verringerung des Arbeitsfeldes in Bahnlaufrichtung. Das Arbeitsfeld ist nicht mehr quadratisch, siehe Bild 23. Auch diese erhöht die Wahrscheinlichkeit für harte Anschlussschnitte.
Schwankungen der Temperatur im Scankopf bewirken leichte Positionierschwankungen des Laserstrahls. Selbst bei baugleichen Scannern reagieren beide Köpfe auf Schwankungen der Temperatur leicht unterschiedlich.

Selbst wenn motivbedingt keine höchsten Schnittgenauigkeiten erforderlich sind, sind dennoch hohe Genauigkeiten bei harten Anschlussschnitten notwendig, z.B. wenn Restgitter automatisch entfernt und aufgewickelt werden soll. Selbst bei einem geringen Versatz von ca. +/-0.1mm bei den Anschlussschnitten könnten hierbei Probleme auftreten.
Somit erscheinen die höheren Kosten von Doppel-Scankopf-Systemen nicht gerechtfertigt. Durch Einsatz von Einkopf-Scannern, entwickelt für höhere Geschwindigkeiten, werden gleiche oder sogar höhere Materiallaufgeschwindigkeiten erreicht. Des Weiteren werden die oben genannten Probleme vermieden.
Ein weitere Vorteil bei Einsatz eines Einkopf-Scanners sind die geringeren Herstellungskosten im Vergleich zu einer Doppelkopf-Lösung.
Sinnvoll ist der Einsatz eines Doppelkopf-Lasers nur bei der Bearbeitung mit breiten Formaten und neuester Software, die z.B. Probleme bei harten Schnitten mit Hilfe von Soft-Marking weitestgehend ausschließt

System-Integration, Bedienfreundlichkeit und Produktivität

Ein Beispiel für die Vorteile einer Systemintegration ist der Einsatz von Kameraregistrier-Systemen, die eine mögliche Abweichung in X/Y-Richtung ermitteln. Die ermittelten Abweichungsdaten, werden automatisch der Laser-Software übermittelt. Diese Korrekturdaten werden dann auf das jeweils zugehörige Schneidmotiv angewendet.
Durch die automatische Kommunikation zwischen den Komponenten der Maschine, wie z.B. Laser-Software, Maschinensteuerung und Kamera-System wird ein hoher Grad an Bedienerfreundlichkeit erreicht. Neueste automatische Software-Kommunikationen heißt für den Anwender keine besonderen Schulungsmaßnahmen.
Weitere Vorteile sind die automatische Vorzugslängenermittlung und –Korrektur.

Heutige Systeme mit einem hohen Grad an Systemintegration bieten auch die Fähigkeit verschiedene Kriterien für einen automatischen Stop vorzugeben wie zum Beispiel (Bild 25):
– bei Erreichen eines vorgegebenen Rollendurchmesser
– oder bei Erreichen einer definierten Auftragsmenge (Stückzahl oder Laufmeter)

Diese Stopkriterien beziehen sich immer auf das Material, welches sich auf der Aufwickelspindel befindet und nicht im Laserbearbeitungsfeld.
Dieses hat den Vorteil, dass eine kontinuierliche Auftragsfolge ohne Nachlauf möglich ist.

Die gleiche Systemintegration unterstützt das schnelle Einrichten von Wiederholungs-aufträgen, da alle Auftrags-Parameter, die für einen Job benötigt werden wie Laser-, Maschinen- und Kameras-Einstellungen etc., in einem File gespeichert (hinterlegt) sind.
Das heißt, dass bei Wiederholung eines abgespeicherten Auftrages, alle Auftrags-Parameter automatisch wieder in das System geladen werden.
Dieses hat z.B. den Vorteil, dass von Anfang an die gleiche Registriergenauigkeit (Druck-zu-Schneidkontur) erzielt wird.

Weiterhin ermöglicht diese Systemintegration eine bessere Fehlerdiagnose für den Anwender.

Bei einem Fehler an der Maschine hält das System an und zeigt eine ausführliche Fehlerbeschreibung auf dem Bediener-Bildschirm an, wie z.B. Bahnriss, Materialende am Abwickler etc. Diese Eigenschaft dient zur schnellen Fehlerfindung was minimale Ausfall-Zeiten bedingt und somit die Produktionskapazität erhöht.

Die Produktionszeit kann mit der Software bei modernen Laser-Anlagen vorab automatisch berechnet werden. Die System Software besitzt eine Datenbank in welcher Laserschneidparameter für unterschiedlichste Materialien abgespeichert werden können. Bei Auftragseingang mit neuer Motivvorlage können anhand der vorhandenen Daten die voraussichtliche Produktionszeit kalkuliert werden, ohne dass die Lasermaschine hierfür gestartet werden müsste. Diese Auftrags-Simulation wird also vor dem eigentlichen Job durch die Software ausgeführt und ermöglicht so eine relativ genaue Kostenkalkulation für jeden neuen Auftrag.

Auswahl von System-Komponenten

Erwartungsgemäß kann man mit einem Kostenunterschied von bis zu 20% zwischen Laser-Schneidsystemen neuer und alter Bauart rechnen. Als Hersteller von hochwertigen, als auch kostengünstigen Laser-Anlagen schätzt Spartanics, dass nahezu vier Mal soviel Anwender ihr Auftragsspektrum mit einem kostengünstigen Laser-System bearbeiten könnten.

Bild 26 (Laser Vergleichs-Tabelle) zeigt einige der wesentlichen Merkmale zwischen verschiedenen Systemen.

Es gibt jedoch Standartforderungen an die Qualität, die immer erfüllt werden sollten: ein scharfer, präziser Schnitt; keinesfalls sollte es Verbrennungen (Löcher) geben. Für diese Anforderungen sind eine hochwertige Laserquelle, sowie eine kleine Spotgröße (ca. 210 um) notwendig.
Andernfalls könnten Probleme an Schnittkanten auftreten, wie z.B. Verklebungen oder Schmauchspuren.
Diese Probleme erschweren z.B. bei der Etikettenfertigung das automatische Spenden.

Die Watt-Leistung des Lasers sollte ebenfalls berücksichtigt werden. Viele der handelsüblichen Laser erreichen die beste Qualität nur einem gewissen Leistungsspektrum. Bei einem Laser, bei dem nur 10% oder weniger der Laserleistung eingesetzt werden, kann nur eine stark verminderte Laserstrahl-Qualität erwartet werden. Wenn z.B. ein Anwender hauptsächlich dünne Materialien verarbeiten muss, wäre hierfür ein 400 Watt Laser nicht die beste Lösung. Eine bessere Alternative wäre dann ein Laser mit geringerer max. Ausgangsleistung. Eine hohe max. Laserleistung ist nicht immer die beste Wahl für alle Anwendungen.

Multimediahilfe für den Anwender

Moderne Systeme beinhalten neuartige Hilfestellungen für den Anwender, die ihn vom ersten Schritt der Joberstellung bis hin zur eigentlichen Produktionsablauf unterstützen.

Hier sind z.B. moderneste Multimedia-Hilfen in verschiedenen Sprachen zu nennen, die eine direkte Anweisung, in Form eines Videos an der Maschine, bieten. Dieses
Video wird am Bedienermonitor der Maschine abgespielt, so dass der Anwender die Anleitung Schritt-für-Schritt sofort direkt an der Maschine umsetzen kann.
Bild 27 zeigt das Auswahlmenü der Multimedia-Hilfe. Die benötigte Hilfe kann auch schnell durch Eingabe von einfachen Stichwörtern gefunden werden, ohne langwierige Suche innerhalb der Menüreihenfolge.

Markus Klemm ist Software Entwicklungs-Ingenieur bei Spartanics www.spartanics.com). Spartanics entwickelt und produziert eine Vielzahl automatischer Maschinen zum Laserschneiden, Stanzen, Siebdrucken, Kartenstanzen, sowie Zähl- und Kontrollmaschinen für weltweiten Einsatz bei Etiketten-Herstellern, Weiterverarbeitern, Druckern, Karten-Herstellern und weiteren Einsatz bei Produktion und Bearbeitung.
Die Zentrale von Spartanics liegt im Raum Chicago / USA. Die globale Vertriebs- und Service-Organisation unterhält Niederlassungen und Ersatzteillager auch in Europa. Fragen und Kommentare bitte an: info@spartanics.com

 

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