Lasery ze sterowaną wiązką

Lasery ze sterowaną wiązką

Najważniejsze informacje

• Ruchome są lustra, a nie laser ani detal — dzięki temu możliwe jest szybkie znakowanie.
• Dwa galwanometry, po jednym na oś, zapewniają ruch wiązki w polu znakowania.
• Soczewka pola płaskiego skupia wiązkę tak, aby uzyskać dużą gęstość mocy w całym polu.
• Prędkość skanowania, pole widzenia i jakość wiązki to trzy ograniczenia, które wyznaczają możliwości głowicy skanującej.

Lasery ze sterowaną wiązką

System znakowania laserowego ze sterowaną wiązką przemieszcza skupiony punkt lasera po nieruchomym detalu za pomocą szybkich, sterowanych komputerowo luster, zamiast przesuwać detal lub sam laser. Dwa lekkie lustra osadzone na silnikach galwanometrycznych odchylają wiązkę w osiach X i Y, a soczewka pola płaskiego utrzymuje ostrość w całym obszarze znakowania. Detal pozostaje nieruchomy; porusza się wyłącznie wiązka.

Jest to architektura stosowana praktycznie we wszystkich nowoczesnych przemysłowych systemach znakowania i to dzięki niej znakowanie laserowe stało się w ogóle opłacalne w produkcji wysokowydajnej.

Jak działa tor optyczny

• Poszerzacz wiązki. Powiększa surową wiązkę, aby soczewka skupiająca mogła wytworzyć mniejszy punkt — większa wiązka na soczewce daje ostrzejsze skupienie.
• Lustra galwanometryczne X i Y. Lustra o bardzo małej bezwładności, napędzane silnikami galwanometrycznymi w pętli zamkniętej, zdolne do zmiany położenia w ułamkach milisekundy.
• Soczewka f-theta. Element kluczowy. Zwykła soczewka ogniskuje na powierzchni zakrzywionej, co powodowałoby utratę ostrości znaku z dala od środka. Soczewka f-theta jest skorygowana tak, aby płaszczyzna ogniskowania była płaska, a przemieszczenie było liniowo proporcjonalne do kąta skanowania, co zapobiega zniekształceniom geometrii.

Rozmiar pola, rozmiar plamki i kompromis między nimi

Ogniskowa soczewki f-theta wyznacza pole znakowania i nie można jej dobierać bez konsekwencji:

Większe pole zawsze oznacza niższą rozdzielczość i mniejszą gęstość mocy. Ponieważ irradiancja to moc podzielona przez powierzchnię plamki, większa plamka rozprasza tę samą moc na większym obszarze — a w przypadku polimeru o niewielkiej absorpcji może to przesądzać o tym, czy znak w ogóle powstanie. Dobieranie zbyt dużego pola „dla elastyczności” jest częstym i kosztownym błędem.

Ogniskowanie trzyosiowe i dynamiczne

Standardowy system dwuosiowy znakuje na płaszczyźnie płaskiej. Dodanie zmotoryzowanego modułu ogniskującego przed galwanometrami — trzeciej osi — umożliwia zmianę wysokości ogniska w trakcie pracy, dzięki czemu części z tworzyw sztucznych o kształcie profilowanym, schodkowym i cylindrycznym można znakować z zachowaniem ostrości. W przypadku wyprasek ze znacznymi pochyleniami lub krzywiznami jest to często konieczność, a nie opcja.

Parametry regulowane przez operatora

• Prędkość znakowania — szybkość przemieszczania luster, która wraz z mocą i częstotliwością powtarzania określa energię dostarczaną na jednostkę długości.
• Prędkość skoku i opóźnienia — szybkość, z jaką wiązka zmienia położenie między znakowanymi odcinkami. Nieprawidłowe opóźnienia skoku, znakowania i wielokąta powodują typowe wady: przypalone narożniki oraz zaokrąglone początki i końce wektorów.
• Wzór wypełnienia i odstęp linii — w przypadku wypełnianych obszarów decydują zarówno o wyglądzie, jak i o łącznym dopływie ciepła.
• Przesunięcie ogniska — celowe rozogniskowanie bywa stosowane w celu poszerzenia plamki i zmiękczenia znaku.

W przypadku tworzyw sztucznych parametry czasowe mają większe znaczenie niż w przypadku metali, ponieważ polimery znacznie gorzej tolerują miejscowe gromadzenie się ciepła wynikające z nieprawidłowych ustawień opóźnień. Wskazówki dotyczące diagnostyki zebrano w artykule usuwanie typowych problemów przy grawerowaniu laserowym tworzyw sztucznych.

Parametry opóźnień i przyczyny zniekształceń znaków

Lustra galwanometryczne mają masę, dlatego opóźniają się względem sygnału sterującego. Każda głowica skanująca udostępnia zatem zestaw parametrów opóźnień, które synchronizują laser z ruchem luster. To właśnie te ustawienia odpowiadają za większość geometrycznych wad znakowania i bardzo często pozostawia się je na wartościach fabrycznych:

Parametry te są powiązane z prędkością znakowania, dlatego receptura dobrana dla jednej prędkości będzie dawać wady narożników i końców linii po jej zmianie. Opóźnienia należy dostrajać ponownie przy każdej istotnej zmianie prędkości znakowania, zamiast traktować je jako stałe maszyny.

Kalibracja pola i korekcja zniekształceń

Soczewka f-theta odwzorowuje kątowe wychylenie luster na płaską płaszczyznę ogniskowania, jednak odwzorowanie to nigdy nie jest idealne i pogarsza się ku krawędziom pola:

• Pliki korekcyjne są przypisane do konkretnej soczewki. Głowica skanująca stosuje tablicę korekcji zniekształceń dopasowaną do zamontowanej soczewki. Zamontowanie soczewki o innej ogniskowej bez wczytania odpowiedniego pliku powoduje, że znaki mają błędne wymiary przy krawędziach pola, choć w środku wyglądają prawidłowo.
• Zniekształcenia beczkowate i poduszkowe objawiają się wygięciem linii prostych w pobliżu obrzeża pola. Jest to problem kalibracji, a nie usterka mechaniczna.
• Weryfikacja za pomocą siatki, a nie detalu. Wykonanie siatki na całym polu i jej pomiar ujawnia błąd skali, przekoszenie i zniekształcenia, których pojedynczy mały znak w środku nigdy nie pokaże.
• Obszar roboczy należy utrzymywać w granicach znamionowego pola. Dokładność, rozmiar plamki i ostrość pogarszają się ku krawędziom, dlatego detal umieszczony na skraju pola będzie znakowany gorzej niż ten sam detal w środku.
• Po każdej zmianie w układzie optycznym należy przeprowadzić ponowną kalibrację — wymiana soczewki, okna ochronnego lub głowicy wymaga ponownej kontroli siatki.

Diagnostyka artefaktów głowicy skanującej

Powiązane terminy i lektura uzupełniająca

• Rozwiązania w zakresie znakowania laserowego tworzyw sztucznych
• Irradiancja lasera
• Jak znakować tworzywa sztuczne laserem
• Znakowanie laserowe i kody wizji maszynowej w zapewnianiu identyfikowalności

Zastosowanie w produkcji

The Sabreen Group zapewnia niezależne wsparcie inżynieryjne w zakresie doboru systemów znakowania galwanometrycznego, wyboru pola oraz opracowania parametrów. Jeśli określają Państwo proces, kwalifikują materiał lub usuwają problem produkcyjny, pomocy udzieli nasz zespół usług inżynieryjnych. Prosimy o kontakt, aby omówić Państwa zastosowanie.

Najczęściej zadawane pytania

Czym jest laser ze sterowaną wiązką?

Jest to system laserowy wykorzystujący dynamiczne elementy optyczne — lustra galwanometryczne lub skanery MEMS — do szybkiego kierowania i kontrolowania położenia wiązki bez przemieszczania źródła lasera ani obrabianego przedmiotu. To standardowa architektura przemysłowych systemów znakowania.

Jak w praktyce działa sterowanie wiązką?

Regulowane lustra przechylają się lub obracają, zmieniając kierunek wiązki; jeden galwanometr obsługuje oś X, a drugi oś Y, zapewniając ruch w polu znakowania. Zespół soczewki pola płaskiego skupia następnie światło, aby uzyskać dużą gęstość mocy na powierzchni.

Dlaczego sterowanie wiązką jest szybsze niż przemieszczanie detalu?

Ponieważ lustra mają znacznie mniejszą masę niż obrabiany przedmiot lub głowica laserowa. Szybki ruch wiązki pozwala uzyskać w grawerowaniu, znakowaniu, cięciu i wytwarzaniu przyrostowym wydajności niedostępne dla mechanicznych układów przemieszczania.

Co ogranicza wydajność głowicy skanującej?

Ograniczenia prędkości skanowania i przyspieszenia ruchu luster lub skanera wyznaczają maksymalną prędkość obróbki. Pole widzenia zależy od zakresu kątów luster i układu optycznego. Z kolei utrzymanie ostrości wiązki w całym polu ogranicza osiągalną jakość.

Do czego służy soczewka pola płaskiego?

Skupia laser tak, aby utrzymać dużą gęstość mocy w całym polu znakowania, kompensując fakt, że sterowana wiązka pokonywałaby w przeciwnym razie różne odległości do różnych punktów, co powodowałoby rozogniskowanie ku krawędziom pola.

Dlaczego na końcach kresek znaków pojawiają się zgrubienia?

Przyczyną są rozstrojone opóźnienia włączenia i wyłączenia lasera. Lustra galwanometryczne mają masę i opóźniają się względem sygnału sterującego, dlatego głowica wymaga parametrów opóźnień, które synchronizują wiązkę z ruchem luster. Zgrubienie oznacza, że wiązka emituje, gdy lustra są jeszcze niemal nieruchome. Jest to błąd czasowy, więc zmniejszenie mocy jedynie ścieńcza cały znak, zamiast usunąć problem.

Czy opóźnienia głowicy skanującej wymagają ponownego dostrojenia po zmianie prędkości znakowania?

Tak, jeśli zmiana jest istotna. Opóźnienia kompensują ustalanie się położenia luster, a wymagany czas ustalania rośnie wraz z prędkością ich napędzania. Receptura dobrana dla jednej prędkości będzie przy innej dawać zaokrąglone narożniki i artefakty na końcach linii, dlatego opóźnienia fabryczne często zapewniają akceptowalne znaki w jednym zleceniu, a złe w następnym.

Dlaczego znaki mają prawidłowe wymiary w środku pola, ale błędne przy krawędziach?

Prawie zawsze przyczyną jest plik korekcyjny niedopasowany do zamontowanej soczewki. Głowica skanująca stosuje tablicę korekcji zniekształceń właściwą dla zamontowanej ogniskowej, a wymiana soczewki bez wczytania odpowiedniego pliku pozostawia środek dokładny, podczas gdy krawędzie ulegają wygięciu i przesunięciu. Weryfikację należy wykonać za pomocą siatki na całym polu, a nie pojedynczego znaku w środku, który nigdy nie ujawni błędu.

---