Alles aus einer Hand Peter Lenk, LS Laser Systems, München

Je nach Kundenanforderung fertigt das Unternehmen kundenspezifische Lasersysteme, die je nach Applikation mit unterschiedlichen Lasertypen ausgerüstet werden. Als OEM-Laser zur Integration in Fertigungslinien stehen dem Anwender verschiedene Varianten in unterschiedlichen Leistungsklassen zur Verfügung:

Zur Einbindung und für den Hand-Shake mit der Linie und/oder einem Leitrechner stellt das System I/O-Schnittstellen und RS-232 Schnittstellen bereit. Daneben entwickelt man auch kundenspezifische Stand-alone-Systeme, die wahlweise mit Drehteller, X/Y-Tisch, Rundachse sowie automatischer oder manueller Z-Achse ausgeführt sein können. Selbstverständlich lassen sich diese Komplettanlagen auch mit einer automatischen Zuführung ergänzen.

Das Lasertrimmen ist die gezielte Veränderung der Eigenschaften einer elektronischen Schaltung durch einen Laserschnitt. Dazu wählt der Anwender die entsprechenden Bauteile aus und bearbeitet diese mit dem Laser. So ändert ein Schicht- oder SMD-Widerstand durch seitliches Einschneiden seinen Stromlinienverlauf (Verengung) und erhöht dadurch den Widerstandswert. Bei Kondensatoren verringert der Abtrag der Deckelektrode die Kapazität.

Lasertrimmsysteme sind schon seit vielen Jahren auf dem Markt. Speziell in der Dick- und Dünnfilmtechnik sind sie nicht aus dem Produktionsprozess wegzudenken. Die Hybridtechnik wird aber immer mehr von der SMD-Technik verdrängt, so dass Lasertrimmen auch hier Einzug hielt. Ist doch ein SMD-Widerstand nichts anderes als ein Dicksichtwiderstand und im Regelfall sowieso mit Laser auf seinen Endwert abgeglichen. Benutzt man nun nicht abgeglichene Widerstände, so lassen sich diese nach dem Bestücken in der Schaltung abgleichen. Gerade in der SMD-Technik und der Sensorik ist ein starker Zuwachs an Systemintegrationen zu finden. Denn diese Technologie bietet dem Hersteller von SMD-Schaltungen die Möglichkeit, das aufwändige Selektieren und Einlöten von vorgetrimmten Chip-Widerständen oder den Einsatz von Potentiometern, zu vermeiden. Er gewinnt dabei eine höhere Zuverlässigkeit und einen erhöhten Durchsatz, bei verringertem Personaleinsatz.

Soll ein Widerstand auf einen bestimmten ohmschen Wert getrimmt werden, so spricht man von Passivabgleich. Wird hingegen das Verhalten der gesamten Schaltung durch den Abgleich verändert, bezeichnet man dies als Aktivabgleich. Während des Trimmvorgangs wird das jeweilige Ausgangssignal ständig gemessen und mit dem programmierten Sollwert verglichen. Bei Erreichen des Sollwertes wird der Laserschnitt automatisch gestoppt.

Kann das Sollsignal der Schaltung auf einen Komparator zurückgeführt werden, so ist dieses Signal direkt mit dem Laser auswertbar. Ein typisches Beispiel hierfür sind Näherungsschalter. Auch ein schneller Datentransfer über den IEEE-Bus ermöglicht einen kontinuierlichen Trimmschnitt. Voraussetzung dazu ist eine schnelle Signaländerung und ein stabiles Signal, das kurze Messzeiten < 2 ms zulässt. Sind diese Bedingungen nicht erfüllt, so kann schrittweise abgeglichen werden, d.h. es wird wechselweise getrimmt und gemessen. Je näher das Signal dem Sollwert kommt, umso kleiner lässt sich dabei die Schrittweite wählen und so eine ausreichende Genauigkeit erzielen. Typische Beispiele hierzu sind Frequenzabgleiche bei niedrigen Sollfrequenzen.

Typische Signale:

Typische Applikationen:

Zur exakten Positionierung des Laserstrahls wurde das Video-Edge-System entwickelt. Die Bildverarbeitung kann neben Kanten und Flächen (SMD-Widerstände) auch Muster erkennen. Damit hat der Anwender ein vielseitiges Hilfsmittel zur Korrektur seiner Bauteiltoleranzen zur Verfügung. Die Flächensuche erfasst automatisch die Fläche eines Chip-Bauelements und berechnet aus den Daten den Flächenschwerpunkt (Mittelpunkt des Bauteils), die Abmessungen sowie die Winkellage. Die konturbasierende Mustererkennung merkt sich die Kanten eines Referenzteils und vergleicht diese mit der zu suchenden Marke. Als Ergebnis wird der Versatz und die Winkellage ermittelt. Die Mustererkennung ist gegenüber der Kanten- und Flächenerkennung unkritisch bezüglich der Beleuchtung und fehlertolerant. So hat der Anwender alle Informationen zur Korrektur der Toleranzen zur Verfügung.

Eine zuverlässige Bildverarbeitung ist jedoch von einer optimierten Beleuchtung abhängig. Deshalb besteht die Beleuchtung aus monochromatischen Diodenclustern. Diese Cluster garantieren eine gleichmäßige und großflächige Beleuchtung des gesamten Arbeitsfeldes. Die Wellenlänge des Diodenclusters liegt nahe an der Wellenlänge des Laserstrahls und hat deshalb eine flache Sphäre nach der Abbildung durch die Planfeldlinse. Zusätzlich vermeidet dies Verzerrungen, die durch das Wellenlängenspektrum von Kaltlichtquellen entstehen. Deshalb arbeitet die Bildverarbeitung, unabhängig von der Brennweite der Planfeldlinse, im gesamten Bearbeitungsbereich zuverlässig. Optional lässt sich auch eine koaxiale Beleuchtung integrieren. Die koaxiale Beleuchtung ist besonders für Dünnfilmanwendungen auf hochreflektierenden Materialen geeignet.

Die Bildverarbeitung ist nicht nur in den Trimmsystemen einsetzbar, sondern kann besonders bei kleinen Beschriftungsobjekten auch eine Laserbeschriftung optimieren. Die dauerhafte Beschriftung mit dem Laser wird mit zunehmender Automatisierung und Miniaturisierung der Produkte immer wichtiger. Dabei sind durch das Produkthaftungsgesetz die inneren Merkmale von Geräten und Bauteilen auf Typen- und Leistungsschildern oder direkt auf dem Produkt auszuweisen.

Unter Laserbeschriftung versteht man das direkte Beschriften einer Oberfläche mittels Laserstrahl ohne zusätzliche Hilfsmittel. Dabei wird der Laserstrahl mit einer Spiegel-Ablenkeinheit und einer Planfeldlinse positioniert und auf das Werkstück fokussiert. Der Kontrast des Schriftbildes wird von verschiedenen Parametern beeinflusst. Die wichtigsten Laserparameter sind die Wellenlänge des Laserstrahls, die Laserleistung und die Pulsfrequenz. Diese Parameter sind applikationsspezifisch zu ermitteln, und hängen überwiegend von der Absorption und der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes ab. Dabei kann der Laser den Werkstoff auf unterschiedliche Arten beeinflussen:

Mit dem Laser lassen sich so verschiedenste Beschriftungsinhalte auf unterschiedlichste Materialien aufbringen. Bei Metallen lässt sich eine Beschriftung durch Erwärmung, Schmelzen und Verdampfen erzeugen. Die qualitativ hochwertigsten Beschriftungen sind bei der Bearbeitung von lackierten und eloxierten Materialien zu erreichen. Dabei erfolgt die Laserbeschriftung durch Verdampfen der Deckschicht. Je nach Lasertyp und Beschichtung sind Beschriftungsgeschwindigkeiten von mehreren 100 mm/s bis über 1000 mm/s zu erzielen. Nichtmagnetische Metalle wie Kupfer, Nickel, Messing, Aluminium lassen sich durch den Laser gravieren, wobei der Kontrast im wesentlichen durch die Schattenbildung in der Laserspur entsteht. Ein Farbumschlag ist bei diesen Materialien nicht zu erzeugen.

Jede Art von Werkzeugstahl aber auch minderwertiger Stahl, wie Baustahl, lässt sich mit dem Laser ebenfalls gravieren. Bei kohlenstoffhaltigen Stählen, die bei einer Wärmebehandlung eine Farbreaktion zeigen, ist auch eine Beschriftung durch Anlassfarben möglich.

Kunststoffe sind organische chemische Verbindungen, die durch Verknüpfung geeigneter niedermolekularer Bausteine zu Makromolekülen entstehen. Generell sind drei Arten von Kunststoffen zu unterscheiden:

Zur Modifikation und Optimierung der Eigenschaften auf die jeweilige Anwendung werden die Kunststoffe mit Zusätzen wie Weichmachern, Stabilisatoren, Füllstoffen, Farbstoffen, Gleitmitteln, usw. versehen. Die für die Laserbeschriftung wichtigsten Materialgrößen, wie die spektrale Absorption, sind somit nicht nur vom Kunststofftyp, sondern insbesondere auch von den Additiven abhängig. So lassen sich ABS und eine Reihe von Thermoplasten ohne wesentlichen Aufwand kontrastreich mit dem Laser beschriften. Andere, besonders teilkristalline Werkstoffe wie z.B. Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), sind nur durch den Zusatz von lasersensitiven Additiven gut zu laserbeschriften.

Durch die Laserstrahlung erwärmt sich der Kunststoff lokal. Dies führt zu thermischen Prozessen wie Verdampfen von Material, Entfernen von Schwarzpigmenten, Karbonisierung, Aufschäumen oder Ausbleichen von organischen Farbstoffen. Bei hellen Kunststoffen mit einer guten Absorption bewirkt der Laserstrahl eine Temperaturerhöhung und eine lokale Verbrennung. Dies führt zu einer kontrastreichen Kennzeichnung infolge Gravur und Karbonisierung. Sind aromatische Strukturen, wie bei Polycarbonaten und aromatisierten Polyestern, vorhanden, ermöglicht die Ausbleichung der Ruß- oder Grafitanteile im Kunststoff eine kontrastreiche, helle Beschriftung auf schwarzen Untergrund. Bei vielen Kunststoffen, mit geringer oder keiner Absorption der Laserstrahlung, erfordert eine Farbumschlagreaktion spezielle Materialeinstellung über Additive. Diese Füllstoffe bzw. Pigmente zeichnen sich durch eine gute Absorption aus, und bewirken so eine kontrastreiche Laserbeschriftung.

Kunststoffe, die nicht oder schlecht mit einem Nd:YAG-Laser zu beschriften sind, können mit einem CO2-Laser problemlos beschriftet werden.

Ein anderes Beispiel für den Einsatz von CO2-Lasern ist das Kennzeichnen von Leiterplatten mit Barcodes. Die Barcode-Kennzeichnung nimmt im modernen Produktionsprozess einen immer höheren Stellenwert ein und variable Daten lassen sich nur durch eine nachträgliche Beschriftung aufbringen. Solche Beschriftungen sind mit dem Laser nicht direkt auf das Basismaterial zu beschriften, da die thermische Einwirkung zu einer ungewünschten Carbonisierung des Materials führt und solche Markierungen einen ungenügenden Kontrast aufweisen. Andere Beschriftungsverfahren, wie das Tintenstrahldrucken weisen diese Nachteile zwar nicht auf, sind aber meist nicht genügend abriebfest, und die Linienauflösung, besonders für Barcodes, ist oft zu gering. Durch den Einsatz von sealed-off-CO2-Lasern wird die Laserbeschriftung auch für den Einsatz in der Leiterplattentechnik nutzbar gemacht. Dadurch gewinnt man die Vorteile der Lasertechnik auch für Kennzeichnungen in der Baugruppenfertigung. Solche Beschriftungen erzielen kurze Taktzeiten, bei einer hohen Linienauflösung und gutem Kontrast.

Mit einem CO2-Laser lässt sich der Lötstopplack direkt, ohne Abtrag, beschriften. Es sind keine weiteren Prozessschritte in der Fertigung der Baugruppe notwendig und die sichere Zuordnung des Barcodes zur Platine bleibt jederzeit erhalten. Neben der variablen Auswahl der Beschriftungsposition besticht der CO2-Laser durch die niedrigen Investitionskosten und die einfache Integration.

Die intelligente, benutzerfreundliche Software von LS Laser Systems steuert den Laservorgang beim Bearbeitungsprozess, und kommuniziert mit der Peripherie und/oder einem Hostrechner. Soll die Laseranlage nicht in die Produktionslinie integriert werden, lässt sich eine Stand-alone-Anlage als Insellösung mit Magaziniereinheiten für den Be- und Entladevorgang realisieren.

Das große Know-how und die Erfahrungen der Laserexperten bei der Konzepterstellung, Planung und Produktion von In-Line- und Stand-alone-Systemen garantieren ausgereifte Anlagen. Die Laseranlagen beschriften Bauteile, Baugruppen oder Gehäuse zuverlässig und schnell, oder gleichen elektronische Schaltungen zuverlässig und exakt ab. Diese Anwendungen der Lasertechnik liefern dem Anwender neue Möglichkeiten in der Baugruppenfertigung.

EPP 414