Lasergravur ermöglicht Kosten

Robert Boyes | 07. Mai 2020

Crestron Electronics Inc. nutzt die Tag- und Nachtmarkierung, um Zeichen und Grafiken auf den Kunststofftasten von Handfernbedienungen und Tastaturen anzubringen, die mit ihren verschiedenen kundenspezifischen Automatisierungs- und Anzeigegeräten für kommerzielle, Bildungs- und Heimumgebungen verwendet werden. Da seine Produkte immer anspruchsvoller wurden, benötigte das Unternehmen eine Möglichkeit, von einfachen alphanumerischen Markierungen zur Erstellung von Legenden mit Grafiken, Logos usw. überzugehen. Aufgrund der kleinen Losgrößen – oft nur ein oder zwei Einheiten – musste das Markierungssystem flexibel sein und eine schnelle Definition und Produktion kundenspezifischer Markierungen ermöglichen. In diesem Artikel wird erläutert, wie ein Lasermarkierungs- und Gravursystem von Coherent es Crestron Electronics ermöglichte, eine kostengünstige Tag- und Nachtmarkierung von Kunststofftastaturen in kleinen Mengen umzusetzen.

Durch die Tag- und Nachtmarkierung sind Beschriftungen gut erkennbar und auf Kunststoffknöpfen und Bedienelementen auch bei unterschiedlichsten Beleuchtungsbedingungen gut lesbar. Die Technik wird häufig in Automobil- und Luftfahrtanwendungen eingesetzt, um verschiedene Innentasten – Türschlösser, Fenstersteuerung, Sitzverstellung, Soundsystem-Verstellung und Klimasteuerung – bei Umgebungsbeleuchtungsbedingungen, die von hellem Sonnenlicht (Tag) bis hin zu schwachem Licht variieren, deutlich sichtbar zu machen (Nacht). Es wird auch häufig auf Computertastaturen verwendet. Abbildung 1 zeigt ein typisches Beispiel einer Tag- und Nachtmarkierung im Innenraum eines Automobils.

Um den Tag-und-Nacht-Effekt zu erzielen, wird zunächst ein durchsichtiger Kunststoffknopf mit einer Schicht halbtransparenter dunkler Farbe bemalt. Anschließend wird eine zweite Schicht deckender Farbe in einer kontrastierenden (hellen) Farbe aufgetragen. Anschließend wird die oberste Farbschicht selektiv entfernt, um die gewünschte Tastenlegende (Markierungsmuster) zu erzeugen, indem die darunter liegende dunklere Schicht freigelegt wird. Bei äußerer Beleuchtung erscheint die Markierung dunkel vor einem hellen Hintergrund. Typischerweise wird die Taste von innen durch eine LED-Lichtquelle beleuchtet, wenn die Umgebungsbeleuchtung schwach ist. Dieses Licht dringt durch die halbtransparente dunkle Farbe, wird aber von der darüber liegenden undurchsichtigen Farbschicht blockiert. Dadurch erscheint die Markierung hell vor einem dunklen Hintergrund. Der genau entgegengesetzte Kontrast – helle Markierung auf einem dunklen Knopf – kann erreicht werden, indem die erste Schicht halbtransparent mit heller Farbe versehen und diese mit einer undurchsichtigen Schicht dunklerer Farbe überzogen wird.

Abbildung 2. Die Tag- und Nachtmarkierung erfolgt durch Auftragen zweier Schichten Kontrastfarbe auf einen Kunststoffknopf. Durch selektives Entfernen nur der äußeren Schicht der deckenden Farbe entsteht die Markierung. Dadurch ist die Markierung sowohl unter den Beleuchtungsbedingungen von vorne (Tag) als auch von hinten (Nacht) sichtbar.

Crestron Electronics produziert kundenspezifische Automatisierungssysteme sowohl für Verbraucher- als auch für kommerzielle Anwendungen. Typische Anwendungen sind Steuerungen für Beleuchtung, Jalousien, Audio, Sicherheit, Telefonkonferenzen und Displays. Häufig werden diese Systeme entweder über an der Wand montierte Tastaturen oder Handfernbedienungen gesteuert. Die Tag- und Nachtmarkierung wird von Crestron Electronics in großem Umfang eingesetzt, um Tastenbeschriftungen für diese Produkte zu erstellen, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Im Hinblick auf die Fertigung sind die wichtigsten Anforderungen für Crestron Electronics die Fähigkeit, gut lesbare Markierungen zu erstellen, die einen Eindruck von „Qualität“ vermitteln, der mit dem Image der High-End-Marke übereinstimmt. Darüber hinaus muss das Unternehmen zunehmend Markierungen erstellen, die relativ komplexe Logos und Grafiken umfassen und nicht nur herkömmliche alphanumerische Zeichen. Da diese Markierungen in der Regel physikalisch klein sind, muss das Markierungssystem eine hohe räumliche Auflösung und scharfe, klar definierte Kanten liefern können.

Die Herausforderung für Crestron Electronics besteht darin, dass das Unternehmen kundenspezifische Produkte in kleinen Mengen – oft nur ein oder zwei Einheiten – herstellt, die entweder von Einzelpersonen, Unternehmen oder Institutionen gekauft werden, und nicht in Massenproduktion von Konsumgütern. Daher muss der Markierungsprozess einfach konfiguriert werden, um eine individuelle Markierung mit minimaler Rüstzeit und geringer Komplexität beim Laden und Entladen von Teilen innerhalb der Werkzeugvorrichtungen zu erzeugen. Darüber hinaus hat Crestron Electronics seinen Händlern und Endbenutzern die Möglichkeit gegeben, ihre eigenen Markengrafiken zu erstellen, die automatisch an die Produktionsstätte übermittelt werden. Die benutzerdefinierten Designattribute für Markierungsgrafiken wirken sich immer positiv auf die Ausgabe der Laserparameter aus. Dies bietet dem Endbenutzer volle Flexibilität bei den Grafikdesignelementen.

Zwei etablierte Methoden zur Tag-Nacht-Markierung sind das Zweikomponenten-Spritzgießen und die Rotationsgravur. Aufgrund der geringen Losgrößen sind Massenproduktionsmethoden wie das zweiteilige Spritzgießen für Crestron Electronics nicht kosteneffektiv. Bei dieser Technik werden zwei verschiedene Kunststoffe mit kontrastierenden Farben nacheinander in eine Form eingebracht, um ein endgültiges, geschichtetes Teil zu erzeugen. Dieser Prozess erfordert teure Werkzeuge und eignet sich nicht gut für die Herstellung hochauflösender Markierungen auf kleinen Knöpfen.

Traditionell war die Alternative zum Formen bei Kleinserien das Rotationsgravieren mit einem Stahlschneidwerkzeug, das die oberste Farbschicht selektiv entfernt. Die Nachteile dieser Methode sind eine langsame Geschwindigkeit und eine unkontrollierte endliche Schnitttiefe zur Erstellung komplexer Grafiken. Darüber hinaus verschleißen die Schneidwerkzeuge und müssen regelmäßig geschärft werden, was sowohl Ausfallzeiten als auch Kosten für Verbrauchsmaterialien bedeutet.

Die Lasergravur hat sich in den letzten 20 Jahren zur bevorzugten Methode für die schnelle Herstellung individueller Tag- und Nachtmarkierungen entwickelt, da sie eine unübertroffene Kombination aus Geschwindigkeit, betrieblicher Flexibilität und Markierungsqualität bietet. In einem Lasergravursystem für Tag- und Nachtmarkierungen werden Teile normalerweise in einem Gehäuse platziert (um die Sicherheit des Bedieners zu gewährleisten) und ein Laserstrahl wird computergesteuert über die Oberfläche gescannt, um die erforderliche Materialmenge im gewünschten Muster abzutragen .

Einer der großen Vorteile der Laserbearbeitung besteht darin, dass Material sehr präzise bis zur gewünschten Tiefe abgetragen werden kann. Mit anderen Worten: Es kann die oberste Lackschicht vom Teil abtragen, ohne dass dabei im Wesentlichen etwas von der darunter liegenden Lackschicht entfernt wird. Darüber hinaus sorgt es für eine hohe Maßhaltigkeit der Markierung selbst. Das Ergebnis ist eine hervorragende Qualität und eine hohe Teil-zu-Teil-Konsistenz im Hinblick auf das Erscheinungsbild der Markierung.

Crestron Electronics nutzt in seiner Produktion das Lasermarkierungssystem Coherent LME-RM. Hierbei handelt es sich um ein schlüsselfertiges System, das mit einer Vielzahl verschiedener Laserquellen zum Markieren verschiedenster Materialien ausgestattet werden kann, darunter Metalle, Keramik und Kunststoffe. Es ist mit Optionen wie einem integrierten Bildverarbeitungssystem zur Teilepositionierung und Markierungsqualitätskontrolle sowie verschiedenen Teilehandhabungs- und Automatisierungsfunktionen erhältlich.

Bei der Markierung von Kunststoffen handelt es sich bei der Quelle meist um einen Festkörperlaser (Vanadat-Laser), da dieser die kurze Pulsdauer liefert, die in der Regel zu den deutlichsten Farb- oder Kontraständerungen im Kunststoff führt, ohne dass das Material thermisch geschädigt wird. Diese Laser emittieren im Infrarotbereich, ihre Leistung kann jedoch auch in grünes oder ultraviolettes (UV) Licht umgewandelt werden. Die UV-Ausgabeoption ist eine gängige Wahl für die Markierung von Polymeren, die häufig in medizinischen Implantaten verwendet werden. Derselbe Vorteil – minimale Wärmeeinflussfläche – macht den Festkörperlaser zur besten Wahl für die Tag- und Nachtmarkierung, auch wenn es sich eigentlich um einen Ablationsprozess handelt und nicht um einen, bei dem eine Farb- oder Texturänderung induziert wird Schüttgut, etwa beim Aufschäumen.

In der Praxis erfordert die Herstellung einer Tag- und Nachtmarkierung typischerweise mehrere Durchgänge mit dem Laser, wobei bei jedem Durchgang die Markierungsform schraffiert und eine kleine Menge Material entfernt wird (die Gesamtdicke der Farbschicht beträgt typischerweise 0,0025 Zoll). Am Ende des Prozesses kann es sogar „Reinigungsdurchgänge“ geben, um die freigelegte darunter liegende Schicht aufzupolieren, sodass sie die gewünschte glatte Textur und das gewünschte Aussehen erhält.

Das genaue Prozessrezept – Anzahl der Durchgänge, Laserleistung, Laserpulswiederholungsrate – variiert je nach den abzutragenden Materialien und der Schichtdicke. Um die Entwicklung neuer Prozessrezepte zu beschleunigen, kann die Coherent LME-RM-Lasermarkierung automatisch mehrere verschiedene Sätze von Laserparametern durchlaufen, um eine schnelle Identifizierung der optimalen Einstellungen zu ermöglichen. Konkret erstellt das System automatisch ein Markierungsraster, bei dem die Laserleistung zwischen den einzelnen Spalten und die Laserwiederholungsrate zwischen den einzelnen Zeilen variiert, sodass eine große Anzahl einzigartiger Kombinationen untersucht werden kann. Anschließend untersucht der Bediener das Markierungsraster und wählt die Einstellungen aus, die die besten Ergebnisse lieferten. Darüber hinaus verfügen die Entwicklungsingenieure von Coherent über eine große Datenbank bestehender Prozessrezepte, die sie den Benutzern zur Verfügung stellen können, um einen guten Ausgangspunkt für diese Art der Optimierung zu bieten.

„Markenqualität hat für uns höchste Priorität“, bemerkt Keith James, Director, Strategic Supply Chain and Manufacturing Operations, bei Crestron Electronics. „Wir wollten unseren Kunden die Möglichkeit bieten, Bitmap-Bilder auf unseren Benutzeroberflächenprodukten zu markieren, aber zunächst mussten wir eine Hürde nehmen, um das gleiche hohe Maß an Klarheit beizubehalten, das wir mit Text beim Markieren einer Bitmap erreichen. Eine Verringerung der Auflösung war kein akzeptabler Kompromiss.“ Für uns. Eine Möglichkeit, mit dem Coherent-System dieses Problem zu lösen, besteht darin, einen Umriss um das Bitmap-Bild herum zu zeichnen, nachdem es die Markierungsfüllung schraffiert hat. Dadurch werden jegliche Aliasing-Effekte oder ausgefranste Kanten auf der Markierung eliminiert und es wird stets eine scharfe Kante erzielt.

„Die Coherent Visual LaserMarker (VLM)-Software erleichtert außerdem den gesamten Prozess der Erstellung benutzerdefinierter Markierungen“, fügt James hinzu. „Damit können unsere Händler ein Tastaturlayout auf ihrem Computerbildschirm anzeigen, beliebige Symbole oder Nomenklaturen definieren, die ihre Kunden wünschen, und das alles dann einfach per E-Mail an unsere Produktionsauftragsverarbeitungsanlage senden. Unser internes Produktionspersonal kann dann diese Markierung erstellen.“ und die VLM-Software erledigt alle dafür notwendigen Hintergrundaufgaben nahezu ohne Bedienereingriff. Es handelt sich um eine äußerst benutzerfreundliche Umgebung, deren Bedienung ein Bediener in wenigen Minuten erlernen kann, sodass unsere Produktivität sehr hoch ist.

„Ein weiterer Grund, warum wir uns für Coherent entschieden haben, ist, dass der Marker mit fast jedem Lasertyp konfiguriert werden kann – Faserlaser, Festkörperlaser, Ultrakurzpulslaser usw.“, schließt Keith. „Wir sind keine Laserexperten und diese Technologiebreite gibt uns die Gewissheit, dass wir das beste Lasersystem für unsere Anforderungen konfiguriert haben, anstatt zu versuchen, unsere Anwendung zu definieren und sie einer obskuren Rack-and-Stack-Technologie zuzuordnen, die vielleicht jemand anders zufällig kennt.“ verkaufen."

Zusammenfassung

Die Markierung mit gepulsten Lasern ist dafür bekannt, dass sie eine hervorragende räumliche Auflösung und einen hervorragenden Kontrast bietet, was sie ideal für die Herstellung sowohl alphanumerischer Zeichen als auch Logos/Grafiken macht. Die Tag- und Nachtmarkierung unterstreicht einen weiteren Vorteil der präzisen gepulsten Lasermarkierung, nämlich die präzise Tiefenkontrolle. Dies ermöglicht die räumlich selektive Entfernung einer kompletten Materialschicht ohne Auswirkungen auf das darunter liegende Substrat.

Über den Autor

Robert Boyes ist Marktentwicklungsmanager bei Coherent Inc.

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