Automatyzacja i robotyzacja procesu znakowania laserowego

Automatyzacja i robotyzacja procesu znakowania laserowego Adobe Stock – Andrei Armiagov
20.5.2024

Czytelne i trwale znakowanie produktów jest niezbędne co najmniej z kilku powodów. Nie tylko ułatwia ich magazynowanie i identyfikację, ale pozwala także szybko odnaleźć najważniejsze parametry znakowanego produktu i jednoznaczne określić producenta. Żeby zwiększyć efektywność procesu znakowania i ograniczyć do minimum liczbę błędów, urządzenie znakujące można zintegrować z robotem.

Znakowanie laserowe wykorzystuje wiązkę lasera do bezdotykowego nanoszenia trwałych znaków na powierzchni obrabianych elementów. Dzięki możliwości precyzyjnego sterowania skupionym promieniem lasera technologia ta umożliwia szybkie i dokładne nanoszenie grafik, tekstów lub symboli na różnorodnych powierzchniach, w tym metali, aluminium, tworzywach sztucznych, folii, skórach, drewnie, szkle i papierze. Znakowanie laserowe zalicza się do najszybszych metod znakowania dostępnych na rynku, co sprawia, że jest popularna w tych branżach, gdzie liczy się szybkie i czytelne oznakowanie produkowanych detali.

Nanoszenie oznaczeń na przedmioty za pomocą lasera polega na przesuwaniu wiązki lasera wzdłuż pożądanej ścieżki. Proces ten realizowany jest poprzez skanowanie wiązki laserowej przy pomocy ruchomego zwierciadła skanującego, które precyzyjnie kieruje promień światła odpowiednie miejsca na materiale do znakowania. Laser powoduje usunięcie cienkiej warstwy materiału ze znakowanego produktu lub trwałą zmianę jego koloru bądź struktury. Najpopularniejsze rodzaje znakowania laserowego obejmują: znakowanie laserem CO2, laserem światłowodowym i laserem UV.

Znakowanie laserem CO2

Znakowanie laserem CO2 polega na wykorzystaniu promieniowania laserowego generowanego przez źródło laserowe z mieszanką gazów, w której znajdują się m.in. dwutlenek węgla, azot i hel. Laser jest uruchamiany poprzez stymulację mieszanki gazów za pomocą napięcia prądu stałego lub fal radiowych (RF). W wyniku tej aktywacji mieszanka gazów wytwarza fotony, które są emitowane przez laser w postaci wiązki, gdy ich ilość osiągnie odpowiedni poziom.

Światło emitowane przez laser gazowy jest spójne i charakteryzuje się zazwyczaj długością fali wynoszącą 10,6 μm. Laser CO2, nazywany również „miękkim”, wykazuje szczególną skuteczność w znakowaniu materiałów niemetalicznych, takich jak drewno, papier, skóra i tkaniny. Może być również stosowany do znakowania gumy i większości tworzyw sztucznych. Ta technologia pozwala na tworzenie grafiki i tekstów wysokiej jakości z dużą prędkością i powtarzalnością, co sprawia, że jest niezwykle przydatna w produkcji przemysłowej i innych obszarach, gdzie kluczowe jest szybkie i precyzyjne znakowanie produktów.

Urządzenia do grawerowania laserowego typu CO2 charakteryzują się niewielką mocą oraz ograniczoną zdolnością do wykonania głębszych znakowań. Standardowo, grubość grawerowania mieści się w zakresie od kilku setnych do około pół milimetra. W niektórych przypadkach grawerowanie laserem CO2 może nie spowodować wytłoczenia, a jedynie wywołać kontrastowe odbarwienie materiału pod wpływem wiązki lasera.

Kluczowym elementem, który decyduje o trwałości tego typu znakowania, jest źródło lasera. Producenci szacują, że źródła lasera prądu stałego mogą działać przez 1000–3000 godzin lub około 1–2 lata, w zależności od mocy i producenta źródła. Z kolei żywotność źródeł RF zależy od materiału, z którego wykonany jest rdzeń źródła lasera. Rdzeń metalowy może wytrzymać od 4 do 6 lat, podczas gdy ceramiczny może osiągnąć żywotność od 5 do 7 lat.

Znakowanie laserem światłowodowym

Znakowanie laserem światłowodowym, zwłaszcza za pomocą lasera wzmocnionego włóknami szklanymi (laser fiber), jest powszechnie stosowane do znakowania elementów wykonanych z metali (stal, miedź, srebro, stopy), tworzyw sztucznych, ceramiki i innych materiałów przewodzących ciepło. Laser fiber charakteryzuje się gęstością energii nawet 100 razy większą niż laser CO2. Dzięki temu jest on wyjątkowo skuteczny w procesie znakowania. Długość fali tego rodzaju lasera wynosi 1064 nm, co umożliwia szybkie znakowanie produktów i uzyskanie trwałego znaku o wysokim kontraście. Jedną z głównych zalet laserów światłowodowych jest możliwość pracy z małym rozmiarem wiązki laserowej, co pozwala na szczegółowe i precyzyjne znakowanie detali. Dodatkowo lasery fiber są praktycznie bezobsługowe i wyróżniają się niezwykle długą żywotnością, która może sięgać nawet 100 000 godzin użytkowania. Niemniej jednak, znakowanie laserem światłowodowym może być droższe w porównaniu z innymi metodami znakowania, a także może ograniczać możliwości znakowania na niektórych materiałach.

Znakowanie laserem UV

Znakowanie laserem UV, które korzysta z promieniowania ultrafioletowego, znajduje zastosowanie tam, gdzie wymagane jest precyzyjne i trwałe znakowanie na różnorodnych materiałach. Ten rodzaj znakowania umożliwia uzyskanie wysokiej jakości znaków o trwałym kontraście, szczególnie na materiałach organicznych, takich jak drewno, papier, skóra czy tkaniny. Nadaje się również do znakowania tworzyw sztucznych, szkła, ceramiki i materiałów syntetycznych, których powierzchnia nie została zmodyfikowana pod względem składu chemicznego i struktury.

Lasery UV emitują promieniowanie o długości fali mieszczącej się między 100 a 580 nm co pozwala na pracę w bardzo małym obszarze. Ich małe szerokości impulsu i wysoka gęstość energii umożliwiają usunięcie niewielkiej ilości materiału za pomocą pojedynczego impulsu, co przekłada się na tworzenie precyzyjnych znaków.

Jedną z zalet znakowania laserem UV jest możliwość efektywnego znakowania różnych rodzajów materiałów, niezależnie od ich koloru. Technologia ta może być droższa w zakupie i obsłudze, a także może wymagać specjalistycznej obróbki powierzchni materiałów przed procesem znakowania.

Znakowanie laserowe UV znane jest również jako znakowanie na zimno, ponieważ światło ultrafioletowe rozrywa wiązania między atomami i cząsteczkami materiału, co zapobiega jego przegrzaniu. Jednak w takich   sytuacjach powstaje strefa wpływu ciepła, która może wpłynąć na na zmianę struktury materiału wokół obszaru znakowania.

Żywotność źródła lasera UV może zależeć od kilku czynników, w tym od producenta urządzenia, jakości wykonania, intensywności użytkowania, warunków pracy oraz konserwacji. W przypadku laserów UV, żywotność często zależy również od rodzaju lampy UV lub diody laserowej.

Wybór lasera do znakowania

Wybór odpowiedniego rodzaju lasera do znakowania wymaga uwzględnienia kilku czynników, takich jak właściwości materiału, który ma być znakowany, wymagana prędkość i precyzja znakowania, a także stopień automatyzacji procesu.

Jak wyjaśnia Joanna Kozdra, specjalista ds. marketingu w firmie Coleman International, lasery to opcja preferowana dla aplikacji wytłaczania, gdzie najważniejsze dla użytkownika są trwałość znakowania i wpływ na środowisko. Jednak nie każdy laser będzie odpowiedni do wszystkich aplikacji.

Istnieją bowiem istotne różnice w zakresie typu lasera, długości fali, soczewek i mocy. Dobranie odpowiedniego uzależnione jest od docelowego zastosowania. Skład znakowanego produktu (guma, kompozyty polimerowe, sztywne polimery, metale) wymaga zastosowania zróżnicowanych typów lasera, aby zapewnić najlepsze możliwe znakowanie. Lasery CO2, światłowodowe, ultrafioletowe czy zielone to najczęściej oferowane rozwiązania dla materiałów stosowanych na rynku – mówi Joanna Kozdra. – Drugi zestaw parametrów, który ma wpływ na dobór lasera, związany jest z kodem, który ma zostać nadrukowany (np. liczba znaków, czy są to kody jedno- czy dwuwymiarowe, logo, etc.), ponadto wielkością komunikatu, oczekiwaną powtarzalnością i prędkością znakowania. Parametry te w dużej mierze determinują wybór lasera, który ma być zastosowany.

Generalnie można przyjąć, że jeśli materiałem znakowanym jest metal, laser CO2 może nie być odpowiedni ze względu na jego ograniczoną skuteczność w znakowaniu metali. W takim przypadku lepszym wyborem może być laser fibrowy lub laser UV. Z kolei, jeśli znakowanym materiałem będzie drewno, papier czy tkanina, wówczas odpowiednim wyborem może się okazać laser CO2 lub laser UV.

Joanna Kozdra zwraca uwagę na jeszcze jeden ważny aspekt. Ze względu na narażenie na promieniowanie (w odróżnieniu od innych technologii znakowania) lasery wymagają dodatkowej ochrony i obudowy, które będą dostosowane do konkretnego typu źródła. I stwierdza:

Stacjonarne stacje znakujące, zwykle dostarczane są z gotową obudową zapewniającą najwyższy stopień ochrony dla operatorów (w klasie 1). Każda integracja lasera np. z linią przemysłową lub stacją kontroli jakości i wykonywanie znakowania w ruchu wymaga zaprojektowania dodatkowego tunelu chroniącego przed niebezpiecznym promieniowaniem, zgodnym ze standardem CE.

Automatyzacja procesu znakowania laserowego

Automatyzacja różnych procesów jest obecnie jednym z najważniejszych trendów w przemyśle, który nie omija także znakowania. Według Joanny Kozdry istnieje wiele możliwości wykorzystania znakowania przemysłowego do automatyzacji procesów. Lasery mogą być wykorzystywane do znakowania części m.in. dla branży motoryzacyjnej bezpośrednio na linii przemysłowej lub do znakowania elementów po przeprowadzeniu testów jakościowych w celu oznaczenia gotowych i pozytywnie zweryfikowanych elementów. Dane do znakowania, takie jak logo, data produkcji, kody 2D mogą być pobierane z zewnętrznej bazy danych zarejestrowanych w systemie ERP lub MES i w czasie rzeczywistym aktualizowane, dostosowane do konkretnego zlecenia produkcyjnego.

Nowe możliwości automatyzacji procesów znakowania daje również integracja robotów z systemami znakowania laserowego. Wykorzystanie robota może przyczynić się do spełnienia rosnących wymagań dotyczących znakowania i obniżenia kosztów operacyjnych. Dzięki nim możliwe jest zwiększenie szybkości i dokładności znakowania, co przekłada się na efektywniejsze wykorzystanie zasobów i redukcję kosztów związanych z błędami ludzkimi. Ponadto automatyzacja znakowania laserowego umożliwia elastyczne dostosowanie się do zmieniających się potrzeb rynkowych i produkcji na większą skalę, co jest kluczowe w dynamicznym środowisku przemysłowym.

– Automatyzacja wymaga specjalistycznej wiedzy oraz zaprojektowania elastycznego i inteligentnego stanowiska, które zapewni najwyższy standard znakowania – mówi Joanna Kozdra. – Z jednej strony takie zautomatyzowane stanowisko powinno wyeliminować ryzyko narażenia na promieniowanie laserowe, a z drugiej – powinno zapewnić szybkie, wydajne i elastyczne znakowanie zróżnicowanych elementów. Niewątpliwie roboty mogą doskonale usprawnić tego typu procesy i wyeliminować ryzyko dla operatorów.

Procesy automatyzacji w znakowaniu laserowym mogą obejmować szereg różnych metod i technik, które pozwalają na efektywne i precyzyjne znakowanie produktów.

Pozycjonowanie i stabilizacja znakowanego elementu

Roboty mogą być wykorzystywane do precyzyjnego pozycjonowania i utrzymania elementu podczas procesu znakowania. Jest to istotne, aby zapewnić dokładność i spójność oznakowania. Warto również zauważyć, że niektóre roboty mogą być zdolne do zmiany położenia lub obrotu elementu w celu znakowania dodatkowych powierzchni. Niemniej jednak należy mieć na uwadze, że nie każdy robot charakteryzuje się taką samą dokładnością i powtarzalnością. Może się zdarzyć, że niektóre chwytaki robotów są mniej precyzyjne, co może prowadzić do odchyleń w pozycjonowaniu elementu i wpływać na jakość znakowania laserowego.

Załadunek i rozładunek znakowanego elementu

Dodanie do robota funkcji automatycznego załadunku i rozładunku elementu pozwoli na wykonywanie przez niego dodatkowych czynności w trakcie trwania procesu znakowania laserowego. Dzięki temu robot może wykonywać zadania związane z obsługą znakowarki i procesem produkcyjnym, zwiększając efektywność całego procesu oraz wykorzystanie dostępnych zasobów. W ten sposób robot może zapewnić ciągłą pracę przemysłowego urządzenia znakującego bez zbędnych przestoju.

Obrotowy stół roboczy

Wyposażenie urządzenia znakującego w 2-pozycyjny stół obrotowy umożliwi robotowi załadunek elementu po jednej stronie stołu, podczas gdy na drugiej stronie stołu może trwać proces znakowania. Dzięki temu  znakowanie jest szybsze, a robot jest zawsze zajęty przenoszeniem elementów, co zwiększa wydajność i efektywność produkcji.

Kompaktowe znakowarki laserowe

Kompaktowe znakowarki laserowe znajdują coraz szersze zastosowanie w przemyśle ze względu na swoją wszechstronność i prostą integrację. Możliwość ich łączenia z ramionami robotów otwiera nowe perspektywy w automatyzacji procesów produkcyjnych. Te urządzenia, pomimo swojej niewielkiej wielkości, są zdolne do skutecznego znakowania nawet dużych elementów przemysłowych. Mogą być również wykorzystywane do oznakowania elementów w procesie montażu, produkcji lub pakowania. Dodatkowo są cenowo bardziej dostępne i łatwiejsze w obsłudze niż większe systemy znakowania laserowego, co czyni je atrakcyjną opcją dla przedsiębiorstw o różnych skalach działania. Integracja kompaktowych znakowarek laserowych z ramionami robotów umożliwia ciągłą pracę tych urządzeń i zwiększa efektywność procesów produkcyjnych, zachowując przy tym wysoką jakość znakowania i bezpieczeństwo pracy.

Znakowanie a efektywność energetyczna

Automatyzacja i robotyzacja procesu znakowania laserowego zdjęcie w treści artykułuJoanna Kozdra,  specjalista ds. marketingu w firmie Coleman International:

Jedną z najbardziej popularnych metod znakowania w przemyśle jest znakowanie drukarkami atramentowymi (inkjet), które do nadruków wykorzystują atrament i rozcieńczalnik. Wybierając znakowniki laserowe, w jakimś zakresie możemy ograniczyć negatywny wpływ na środowisko w porównaniu do technologii inkjet. Ograniczamy ilość pustych wkładów po atramencie czy rozcieńczalniku, które trafiałyby na składowiska odpadów lub były spalane. Podczas znakowania do środowiska uwalniane są mniejsze ilości lotnych związków organicznych (LZO). Ograniczamy też emisję CO2 poprzez brak konieczności regularnych dostaw materiałów eksploatacyjnych do zakładu produkcyjnego. 

Tam, gdzie znakowanie laserowe z powodów technologicznych czy kosztowych nie może być zastosowane, alternatywą mogą być drukarki inkjet, które wykorzystują atrament bez metyloetyloketonu (MEK). Jest to rozwiązanie, które pomaga realizować cele zrównoważonego rozwoju – jego stosowanie ogranicza do 30% emisję CO2 do środowiska, generuje znacząco mniej odpadów i niższy ślad węglowy materiałów eksploatacyjnych, ponieważ do 30% mniejsze zużycie rozcieńczalnika oznacza mniej „kilometrów eksploatacyjnych” wykonywanych z powodu dostaw. Zapewnia też bezpieczniejsze środowisko pracy dla operatorów. Dobrym przykładem takiego rozwiązania są atramenty firmy Markem-Imaje, również do ciemnych podłoży stosowanych w branży wytłaczania.

O Autorze

Tagi artykułu

MM Magazyn Przemysłowy 5-6/2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę