Automatisierungsplattformen für die Lasermaterialbearbeitung

Laserschneiden, Laserschweißen, Lasermarkieren oder Laserbohren – bei unterschiedlichen Verfahren kommt der Laser branchenübergreifend zum Einsatz, um Fertigungsprozesse weiter zu optimieren und eine hohe Qualität der Bauteile zu gewährleisten. So profitieren beispielsweise die Elektronikfertigung, die Halbleiterindustrie, die Automobilindustrie und die Medizintechnik von den fortschrittlichen Möglichkeiten der Lasermaterialbearbeitung.

Verfahren, Material, Arbeitszyklus, Umgebungsbedingungen und Kriterien wie Durchsatz, Präzision, Geometrietoleranzen, Größe der Bearbeitungsfläche und Konturen stellen dabei unterschiedliche Anforderungen an das Motion Control System, wenn es darum geht hohe Durchsatzraten und hohe Präzision zu erreichen. Sie lassen sich erfüllen, wenn Systemkomponenten wie Mechanik, Laseransteuerung und Strahlführung aufeinander abgestimmt sind und über leistungsfähige Steuerungslösungen kommunizieren.


Präzise Positionierung mit hohem Durchsatz

PI kann heute Automatisierungsplattformen für die industrielle Laserbearbeitung anbieten, die sowohl hohe Qualität als auch hohe Durchsatzraten ermöglichen und von Integratoren und Endanwendern als Basis für den Aufbau schlüsselfertiger Hochleistungssysteme eingesetzt werden können. Das Spektrum reicht von Ein- oder Mehrachssystemen ohne Galvanometer-Scanner bis hin zu mehrachsigen Lösungen, bei denen die Bewegungssteuerung des Laserscanners und der Positioniersysteme synchron erfolgt.

Lasermarkieren mit Mehrachs-Aufbauten

Hohe Dynamik
Präzision
Kompaktes Design

Markierung von komplexen oder hochwertigen Strukturen, ist eine Anwendung für mehrachsige Positioniersysteme. Zum Beispiel kann eine für das menschliche Auge unsichtbare Identifikationsnummer per Laserstrahl auf die Oberfläche eines Werkstücks geschrieben werden. Die Bewegung des Werkstücks in X-, Y- Richtung und die Positionierung des Laserobjektivs in Z-Richtung übernehmen hochdynamische Lineartische, die mit magnetischen Direktantrieben arbeiten. Die >>V- 528 Lineartische erreichen hohe Geschwindigkeiten und Scanfrequenzen von über 10 Hz. Dank ihrer Kreuzrollenführungen, Motoren mit hoher Wiederholgenauigkeit und geeigneter Encoderauswahl sind Genauigkeiten im Submikrometerbereich möglich.


Weitere Lösungen für die Lasermaterialbearbeitung finden Sie auch über den PI Produktfinder. Hier sehen Sie, welche Komponenten und Systeme entsprechend Ihren Kriterien geeignet sind.

Produktfinder


Wafer Vereinzelung mit Planarscanner

Hohe Ablaufgenauigkeit
Hohe Ebenheit
Konstante Geschwindigkeit

Auch beim Trennen von Wafer-Dies kommt es auf hohe Genauigkeit an. Die Schnittbreite muss konstant sein und senkrechte Schnittkreuzungen sind gefordert. Außerdem ist die absolute Genauigkeit wichtig, damit die einzelnen Dies beim Schneiden nicht beschädigt werden. Die zulässigen Toleranzen liegen bei nur wenigen Mikrometern pro Meter Verfahrweg. Ein geeignetes Positioniersystem für solche Anwendungen ist der von magnetischen Direktantrieben bewegte, >> luftgelagerte Planartisch A-322. Er hat einen magnetischen Direktantrieb, wodurch hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen von 20 m/s² möglich sind. Mit sinuskommutierter Ansteuerung wird gleichzeitig eine hohe Positionsauflösung von einem Nanometer erzielt, da der Antrieb reibungsfrei ist. Das Positioniersystem wurde ausgelegt, um sowohl die Durchsatzrate zu maximieren als auch die höchste Präzision zu gewährleisten.


Fertigung von Schablonen und Platinen mit Gantry Systemen

Hohe Präzision
Hohe Dynamik
Lange Verfahrwege

Ähnlich hoch sind die Anforderungen bei der Fertigung und Bearbeitung von Schablonen und Platinen. Werkstücke und Strukturdichte sind hier besonders groß. Deshalb sind vom Positioniersystem große Stellwege gefordert bei einer Präzision im Mikrometerbereich. Gantry-Systeme mit ihrer hohen Steifigkeit, aber leichten Bewegungsplattformen bieten hierfür gute Voraussetzungen. Kabelmanagement und Bedienung sind dahingehend optimiert, dass vertikale Bewegungsachsen, Autofokus-Sensoren und ein Zuführsystem für den Laser ergänzt werden können. Das Design ermöglicht es zudem, die zu bearbeitenden Teile im Stillstand zu halten und nur den Laser samt Optik zu bewegen. Die von PI eingesetzten Absolut-Messsysteme erleichtern die Systeminitialisierung, denn damit ist nach dem Einschalten keine Referenzfahrt erforderlich.

 

 


Laserbeschriftung mit Mehrachsaufbauten inklusive Galvo-Scanner

Hohe Präzision
Hohe Geschwindigkeit
2D-Bearbeitung

Beim Laserbeschriften werden häufig mehrachsige Positioniersysteme mit einem Galvanometer-Scanner zur Ablenkung des Laserstrahls kombiniert. Hinsichtlich Dynamik und Präzision lassen sich so sehr gute Ergebnisse erzielen, wenn beispielsweise Skalen auf funktionale Bauteile geschrieben werden sollen. Die Bewegung in XY-Richtung übernimmt dann ein als Kreuzrollentisch aufgebauter Positioniertisch der Baureihe >>V-731. Seine Linearmotoren kommen ohne zusätzliche Mechanik aus und treiben die Plattform direkt an. Damit sind hohe Geschwindigkeiten möglich.

Mehr zu den Galvanometer Scannern von Scanlab erfahren Sie hier

Leistungsstarke Motion Control Systeme

Bei den beschriebenen Laserbearbeitungsverfahren lassen sich die oft komplexen Prozesse mit einem speziellen Lasermodul einfach steuern. Es ermöglicht auch eine direkte Steuerung der Laserquelle, um Präzision und Durchsatz zu erhöhen. Das >>EtherCAT-Slave-Modul der LCM-Serie bietet eine breite Palette von Funktionen, einschließlich der digitalen Pulsmodulation für dynamische Leistungsregelung, Ausgangsimpulse oder Gating-Signale (Ein/Aus-Signale), die auf Positionen entlang eines zwei- bis sechsdimensionalen Bewegungspfades oder programmierbare Betriebszonen etc. synchronisiert sind. Über universelle elektrische Schnittstellen kann das Steuermodul praktisch jeden Laser steuern. Neben dem Hochgeschwindigkeits-Lasersteuersignalausgang verfügt das Modul über einen speziellen Verriegelungseingang, einen Fehlereingang und einen Freigabeausgang. Zusätzlich stehen acht digitale I/Os für laserspezifische Funktionalitäten zur Verfügung. Die Herausforderungen bei der Entwicklung einer robusten und skalierbaren Laserbearbeitungs- oder Mikrofertigungs-Maschinenplattform lassen sich mit einem solchen Lasermodul besser und schneller lösen.


EtherCAT® ist ein offenes, Ethernet-basiertes Echtzeit-Feldbussystem, das ursprünglich von Beckhoff Automation entwickelt wurde. Heute setzen Systemingenieure EtherCAT immer häufiger für Maschinensteuerungslösungen ein. Ein Grund für die wachsende Beliebtheit ist unter anderem die Flexibilität des robusten Hochgeschwindigkeits- und Echtzeitnetzwerks.

Lesen Sie hier, wie Lösungen von ACS Motion Control über EtherCAT vernetzt werden können

Markierung großer Flächen ohne Stitching

Hohe Präzision
Hoher Durchsatz
Simultane 2D-Bearbeitung

Bei den bisher beschriebenen Laserbearbeitungsverfahren mit Galvanometer-Scannern arbeiten Scanner und Positioniersystem nicht gleichzeitig, sondern nacheinander im Stitching-Verfahren. Große Flächen mit vielen kleinen Details können auf diese Weise allerdings nicht effizient beschrieben werden. Kleine Details erfordern hohe Beschleunigungen und große Flächen bedingen lange Stellwege. Es empfiehlt sich also, die zu schreibenden Trajektorien in Anteile für kleine, leichte und damit schnelle Positioniersysteme mit kurzem Hub und für große, schwere und damit verhältnismäßig langsame Bewegungskomponenten mit langem Hub aufzuspalten. Beide Systeme müssen dann synchronisiert werden.

Steuerungslösungen von ACS Motion Control und SCANLAB

Die gemeinsam entwickelte Steuerungssoftware syncAXIS ermöglicht eine großflächige Lasermaterialbearbeitung. Die XL-Scanlösung erweitert das Arbeitsfeld eines Laserscansystems, indem sie gleichzeitig einen 2D-Scan-Kopf und einen mit hochdynamischen magnetischen Linearantrieben ausgestatteten 2D-Aufbau steuert und bewegt. Das kombinierte System ermöglicht die effiziente Lasermarkierung großer Flächen mit hohem Durchsatz und hoher Genauigkeit.

Mehr über die XLScan Steuerungslösung erfahren Sie hier