Lasermarkering Innovaties: Horizonnen Verruimen in Automotive, Olie & Gas en Gezondheidszorg

Lasermarkering gaat onder zee, onder oppervlakken en ultrakort.

Ultrakorte lasers - die in de picoseconde en femtoseconde regime zitten - komen op als sleutelspelers in enkele bijzonder delicaten, federale gevraagde medische applicaties. Nieuwe proprietair softwareversies en aangepaste markeringssystemen zijn in toenemende vraag. En een grote nieuwe samenwerking tussen een relatief jonge systeemleverancier en een wereldleider in draden en harnessen toont de robuuste dynamiek van lasermarkering verder.

En, in lijn met de drang naar Industrie 4.0, worden nieuwe automatiseringsmaatregelen uitgezet om de doorvoer van gelabelde producten te verhogen.

Uiteindelijk, hoewel decoratieve lasermarkering al enige tijd in gebruik is, maakt de groeiende behoefte aan merkbescherming via track-and-trace markering van complexe codes op een breed scala aan hoogwaardige onderdelen de technologie belangrijker dan ooit.

Samen Groeien

Voor Finland-gebaseerde Cajo Technologies lijkt 2019 het momentum van vorig jaar voort te zetten met een nieuwe verkoop- en distributiesamenwerking met draad- en harnessreus Anixter, alsook uitbreidend werk met zeekabels.

Die industrieën vertrouwen zwaar op snelle on-the-fly markering, wat Cajo's snelst groeiende applicatie blijft, volgens president Ismo Rantala. In bedrijf sinds 2010 en met Amerikaanse hoofdkantoor in New Orleans, prijst Cajo zichzelf als de snelste lasermarker ter wereld - wat duidelijk de aandacht van Anixter trok.

Anixter "is de grootste draaddistributeur ter wereld," legde Rantala uit, "en ze voorraden meer dan $1 miljard aan draden over de hele wereld." Door Cajo's expertise in-house te brengen, voegt Anixter waarde toe voor zijn klanten, die ofwel voorgemarkeerde draden of een Cajo-markeringssysteem direct van de draadleversancier kunnen verkrijgen.

"De draad-en-harness-industrie heeft ontdekt dat on-the-fly markering de toekomst is van markering van alles wat ze doen," zei Rantala. Hij merkte op dat 90 procent van downtime in markeringstoepassingen typisch te wijten is aan de storing van verstoppte inktmachines. In tegenstelling, lasers hebben geen verbruiksgoederen en kunnen 100.000 uur draaien, zei hij.

Ondertussen versterkt Cajo - dat voornamelijk verkoopt aan OEM's - zijn proprietair softwaresuite, wat ze in het zelfde rijtje plaatst als Trumpf en Rofin. Het nieuwste ontwerp van het bedrijf is CajoCAD 3.0. Feitelijk is Cajo's aanstellingsprioriteit op dit moment software-engineers, zei Rantala, met het doel om de draadmarkeringssnelheden voortdurend te verbeteren op basis van specificaties gevraagd door de grootste draadfabrikanten van de industrie.

Voortdurende innovatie is met name belangrijk voor Cajo vanwege de eis aan zijn systemen voor het markeren van zeekabels tussen olierigs en het vasteland. Deze plastic-gecoate kabels kunnen tot 80 km (49 mijl) lopen, zoals in het geval van de glasvezel-energie- en vloeistoflijnen geproduceerd voor de energie-industrie door Noorwegen's Aker Solutions. Meerdere individuele kabels kunnen in een grotere kabel gehuisvest zijn.

Voor Aker creëerde Cajo een drie-laser markeringscel die merken maakt op 120° increments rondom de kabel, zodat de merken die projectnaam en kabellengte aanduiden vanuit elke hoek zichtbaar zijn. Omdat de glasvezelkabels niet mogen draaien en nog steeds functioneren, zorgt een enkele gemarkeerde lijn bovenaan ervoor dat ze in hun juiste oriëntatie blijven. Andere markeringen geven de afstand aan die een bepaald deel van de kabel heeft tot het schip, de rig of het vasteland. "Dat is voor troubleshooting; als er iets gebeurt met een kabel, kunnen ze pingen waar de fout is en het repareren."

Wat de lasers in zijn systemen betreft, steunt Cajo op vezel-eenheden, die "99 procent van materialen" kunnen markeren, stelde Rantala. "We kunnen afzetlijn en sequentiële markering voor de zeekabels op PVC en andere materialen met lasers markeren, en dat heeft het hoofd gedraaid bij bedrijven die deze producten doen."

Kort en Scherp

Op een veel kleinere schaal qua deelafmeting, begint de medische gemeenschap ultrakorte, of ultrakorte puls, lasers in de picoseconde en zelfs femtoseconde regime te omarmen om permanente unieke apparaatidentificaties (UDI's) op roestvrij staal apparaten te markeren.

Terwijl nanoseconde lasers al enige tijd succesvol zijn in het markeren van producten, merkte Thorsten Ferbach, business development manager voor Coherent-Rofin, Santa Clara, Calif., op dat hun impact op roestvrij staal kan leiden tot corrosie bij herhaald autoclaven. Dus, hoewel picoseconde lasers een significante investering zijn, betalen ze zich meer dan terug in de productie van hoogwaardige medische apparaten - waar een falen nooit een optie is.

De drijfveer achter deze technologie is de FDA-regelgeving die in september 2018 in werking trad, die stipuleert dat medische apparaten die meerdere sterilisatierondes vereisen, merken moeten dragen die niet afnemen in de loop van de tijd. De regelgeving is bedoeld om te garanderen dat artsen over de hele toegang hebben tot de data gecodeerd in deze merken. Falen bij het lezen van deze codes genereren records binnen de FDA-database, legde Ferbach uit, en te veel rapporten voor een bepaald product kunnen resulteren in het sluiten van de productie door de FDA als onderdeel van een groot onderzoek.

Om aan deze vraag te voldoen, heeft Coherent-Rofin zijn Rapid NX picoseconde laser geoptimaliseerd, legde Ferbach uit. In tegenstelling tot nanoseconde lasers, die donkere merken produceren door zwart oxide op het oppervlak van een materiaal te creëren, wijzigt picoseconde markering de subsurface nano-structuur van materiaal zoals 1.4301 roestvrij staal, waardoor licht wordt vastgehouden en geabsorbeerd om hoog-contrast merken te produceren.

"Het is in principe vergelijkbaar met de beschermende huid van stalthunters," legde Ferbach uit. "Wanneer u die huid blootstelt aan radarstralen, is er geen reflectie; het vliegtuig wordt onzichtbaar." Met een roestvrij staal apparaat, absorberen de met de picoseconde laser behandelde gebieden licht om als donkere merken te verschijnen. En in tegenstelling tot een oxide merk, dat in verschijn kan veranderen afhankelijk van de hoek waarop het bekeken wordt, ziet het zwarte subsurface merk er hetzelfde uit vanaf alle hoeken.

Wat doorvoer en de mogelijkheid om het markeringsproces te monitoren betreft, is er geen verschil tussen de nanoseconde en picoseconde laser in deze applicatie, merkte hij op. Maar voordat een klant aan een project begint, zal Coherent-Rofin een haalbaarheidsstudie uitvoeren. Dit zorgt ervoor dat de picoseconde laser onder de juiste parameters voor de klus werkt en dat de klant preventieve onderhoudsmaatregelen begrijpt voor deze intern water-gekoelde eenheden.

Buiten medische apparaten, hebben andere industrieën het potentieel om de precisie van ultrakorte puls lasers voor markering te omarmen.

Contemporaine keukenontwerp, met zijn focus op roestvrij staal apparaten, is een ideale kandidaat, merkte Ferbach op. "Je ziet roestvrij staal items zijn geëtst of geprint," legde hij uit. Fabrikanten in deze industrie vermijden nanoseconde lasers op dit moment vanwege de bovenstaande variabiliteit in hoe zwarte merken eruitzien wanneer bekeken vanaf verschillende hoeken. "Dit is waar we de markt nog moeten educeren" over de voordelen van ultrakorte lasers.

Naast apparaten, vervolgde hij, omarmen consumentenelektronica OEM's ook ultrakorte lasers.

Wat materialen betreft, kunnen picoseconde lasers ook markeren op titanium, met name voor implantaten; geanodiseerd aluminium, vaak gebruikt in orthopedische apparaten; en PEEK en PPSU kunststoffen.

Uitbreidend Portfolio en Markten

Dapra Marking Systems van Bloomfield, Conn., begon ongeveer twee jaar geleden zijn eigen lasersystemen te maken om te profiteren van meerdere kansen, variërend van grote OEM's tot kleine custom fabricators. Van lage-vermogen apparaten tot de relatief hoge markerkracht van 100 W, heeft Dapra zijn aanbod verder uitgebreid met een nieuwe vezel-gebaseerde groene laser en picoseconde lijn.

"We sprongen erop en begonnen picoseconde lasers aan te bieden omdat wanneer je de juiste applicatie hebt en alleen picoseconde het kan doen, het een mooie fit is," zei Dave Noonan, director of laser sales and applications. "Denk aan UV-markering als koude markering omdat er een heel kleine hittehandtekening is. Met picoseconde lasers is het alsof dat op steroïden is."

Het bedrijf biedt ook een behuizing met een programmeerbare glijbaan gemonteerd aan de achterwand. Deze X-as glijbaan stelt gebruikers in staat de laserkop over een veel grotere afstand te verplaatsen. Een typische glijbaan staat beweging van 30" (762 mm) toe, legde Noonan uit, wat het markeren van óf meer delen óf heel lange delen zoals een geweerloop of reeks lopen mogelijk maakt. Dit in tegenstelling tot meer gewone vierkante markeringsgebieden van ongeveer 110-170 mm.

Ondertussen stelt een nieuwe toevoeging aan Dapra's softwaresuite snellere rotatie-indexering van cilindrische delen zoals chirurgische instrumenten mogelijk. "Als je een probe hebt en je hebt ringen nodig op de probe om te weten hoe diep het in het weefsel gaat, moeten deze ringen op een heel consistente manier worden aangebracht," legde Noonan uit. "Een typische 'derde-as' voor het markeren van ringen vereist dat je markeert en dan indexeert; het staat je niet toe om beide tegelijk te doen. (Onze nieuwe software) laat ons wel markeren en draaien tegelijkertijd," wat een langdurige worsteling voor fabrikanten oplost, en tegen lagere kosten dan echte on-the-fly software.

Naast zijn softwareopties en aangepaste kabinets, heeft Dapra een nieuwe controller ontwikkeld die in elk van zijn kabinets voor elk laservermogen kan worden geplaatst. "Het is erg modulair van aard," zei Noonan. Dezelfde controller wordt gebruikt voor Class 4 aanbiedingen ook, die vrij populair zijn geworden.

Dapra's systemen hebben snel adopters gevonden voor medische, luchtvaart, automotive, tandwielproductie en zware landbouwapparatuur applicaties.

"Luchtvaart is een sector die vorig jaar erg heet was en ernaar uitziet dit jaar rood heet te worden," merkte hij op. De industrie heeft historisch naar dot peen markering geleichd, voegde hij toe, gegeven regelgeving die lage-spanning markering dicteert. "We zien een opschudding in interesse van de luchtvaartindustrie in het markeren van een groter aantal delen en veel grotere projecten aankomend."

Terwijl die projecten tendens hebben om van grotere spelers te komen, komen ook kleinere custom fabricators naar voren - wat Dapra dwingt een productlijn te introduceren om aan hun behoeften te voldoen.

"Ik was net bij een installatie in Florida waar we een laser verkochten aan een kleine medische fabrikant" met maar anderhalf werknemer, herinnerde hij zich. "Hij maakt trekpennen, chirurgische schalen, botschroeven en meer. In het verleden waren lasers te duur voor een kleine speler als dit; niet meer. Het is een nieuwe wereld en we hebben relevante oplossingen."

Naarmate laserprijzen dalen, zei Noonan, verwacht Dapra een nog groter jaar in 2019 naarmate meer fabrikanten in staat zijn lasermarkering toe te voegen aan hun repertoire.

Een opvallend groeigebied is de geautomatiseerde markering van kunststoffen, zei hij. Een injectiegietwinkel "haalt ergens van twee tot vier delen uit een vorm en presenteert ze één voor één aan een in-line laser voor het markeren van een datamatrix." Het systeem bevestigt de leesbaarheid van de merken voordat de delen weggenomen worden of, als onleesbaar, activeert het systeem een sequentie om een tweede merk uit te voeren.

En, over het afgelopen jaar, zijn tandwielfabrikanten overgestapt op Dapra lasermarkeringssystemen in plaats van dot peen om hun kosten "enorm te verlagen, en ze zijn verheugd over de productiewaarde die lasers op tafel hebben gebracht."

Terwijl dot peen markering minder kostbaar is, brengt het kwesties van deelhouding en slijtage van de carbide markerende pin met zich mee, met resulterende degradatie van markeringshelderheid. "De contactloze methode van lasermarkering is echt superieur en wordt om de goede reden omarmd: Je hebt geen delen die uizijten, en je merken zijn ongelooflijk herhaalbaar en betrouwbaar."

Data-gedreven Oplossingen

Al die gemarkeerde data bijhouden is net zo belangrijk als het maken van de merken, en de heen-en-weer overdracht van kritieke informatie tussen software en markeringsapparaten is een sleutelelement in systeemontwerp. Het creëren en beveiligen van die tweerichte communicatieketting is essentieel om productieingenieurs en degene die verantwoordelijk zijn voor het behouden van productiviteit op de vloer toe te staan relevante data te volgen, stelde Dave Sweet, president van Mecco, Cranberry Township, Pa.

Bijvoorbeeld, in gelabelde luchtvaartcomponenten voor Honeywell, "krijgen we variabele data van een systeemdatabase. Enterprise software stuurt ons die informatie, en we markeren niet alleen de delen maar gebruiken ook visiesystemen om te verifiëren dat de informatie die we op de delen markeerden overeenkomt met wat naar ons was gestuurd." Mecco's systeem genereert dan een rapport dat opgeslagen wordt voor de overheid om die UDI's te registreren.

Volgens Mecco's case study van het Honeywell-project, "plugt het 20 W SMARTmark vezel laser systeem overal in met 120 VDC en neemt de helft van de voetafdruk van de oude YAG flatbed in." Ook, markeringsgerelateerde kwaliteitsmeldingen en retours die $2.500 per incident kostten, zijn significant gedaald.

In de automotive wereld, merkte Sweet op, krijgen veiligheidsgerelateerde delen en die van bepaalde dollarbeelden unieke identificatiemerkingen - alle getraceerd tot het voertuigidentificatienummer. Dit omvat nokassen, krukas, blokken, transmissiebehuizingen en zelfs connectoren. Na het markeren van die componenten met streepjescodes, worden die "ouder-kind relaties" ingelogd in een database die uiteindelijk al die informatie aan de VIN koppelt.

Markeringssysteemconnectiviteit strekt zich steeds meer uit tot het opereren naast collaboratieve robots, of cobots. MECCO installeerde recent een systeem dat een cobot gebruikt om delen uit een bak op te pakken en ze vast te houden voor scannen door een visiesysteem. Het visiesysteem stuurt informatie naar de lasermarker, dan brengt de cobot het deel naar de laser voor markering. Naarmate één kant gemarkeerd is, brengt de cobot het deel naar een camera om te verifiëren dat de merken nauwkeurig zijn voordat elke andere kant van het deel gemarkeerd wordt.

"De behoefte aan tracerbaarheid groeit nog steeds," zei Sweet. "Klanten zoeken meer naar oplossings-gebaseerde systemen dan alleen een laser in een doos," wat betekent dat de markt voor modulaire, configuratie-gebaseerde benaderingen om steeds specifiekere behoeften voor productieflexibiliteit te bevredigen, blijft groeien.

Mecco baseert ongeveer 80 procent van zijn systemen op vier basishuizingformaten waaraan rotatiedialen van 6, 18, 24 of 36" (152, 457, 610 of 914 mm) kunnen worden toegevoegd die continu verse delen voor markering circuleren. Elke behuizing heeft ook de optie van een X-Y-tafel. De andere ongeveer 20 procent van Mecco's systemen kunnen aangepast worden, inclusief met uitgeplukte grafische gebruikersinterfaces die operators toestaan taken te laden en te monitoren.

Bijvoorbeeld, een recente gereedschapsfabrikantklant had een 30 x 30" (762 x 762 mm) bak met delen te dekken, wat Mecco's extra-grote behuizing en X-Y-Z-portaalsysteem vereiste. "In plaats van dat ze meerdere lasers hoefden te kopen, konden ze één laser kopen, dit systeem laden, op go drukken, en weglopen."

In een ander geval gebruikte een watermeterbedrijf een combinatie van dot peen en lasermarkering met een vier-positie rotatie-werkstation. Een messing behuizing had een serienummer gemarkeerd met dot peen, en een laser dupliceerde dat serienummer op het zwarte plastic deksel.

Goed systeemontwerp betaalt zich duidelijk uit, zoals in het geval van een medische klant van Mecco's die geüpgraded is van oudere diode lasers naar een vezelsysteem en zag dat de algehele machinecyclus tijd daalde van 18 seconden naar minder dan 11 seconden, met betere merkwaliteit die betere visuele inspectie met handscanners toestond.

Tel daarbij op dat Sweet meer kleine winkels ziet investeren in robots om hun systemen te begleiden, en het is duidelijk dat lasermarkering is geworden en zich zal blijven ontwikkelen als een robuuste en onmisbare industriële operatie.