Wer den Laser-Fokus einstellen will, sucht die Höhe, in der der Strahl am engsten ist. Nur dort trifft die volle Energiedichte auf das Material. Schon ein Versatz von wenigen Zehntelmillimetern vergrößert den Spot so weit, dass eine schwarze Anlassmarkierung auf Edelstahl grau wird oder ein DataMatrix-Code an den Modulkanten ausfranst. Ein typischer Fall aus der Musterbeschriftung: Leistung und Frequenz passen, nur die Höhe stimmt nicht.
Was beim Fokussieren passiert
Der Galvo-Scanner lenkt den Strahl ab, das F-Theta-Objektiv bündelt ihn auf eine ebene Fläche unterhalb der Optik. In dieser Fokusebene hat der Strahl seinen kleinsten Durchmesser, die sogenannte Strahltaille. Ober- und unterhalb davon weitet er sich auf. Die Fläche des Spots wächst dabei mit dem Quadrat des Durchmessers, die Energiedichte fällt also schneller ab, als der Abstandsfehler vermuten lässt.
Wie viel Abstandsfehler ein Prozess verträgt, bestimmt die Tiefenschärfe. Sie hängt stark vom Spotdurchmesser ab: Ein kleiner Spot hat eine kurze Fokustoleranz, ein großer eine lange. Physikalisch wächst die Tiefenschärfe ungefähr mit dem Quadrat des Spotdurchmessers. Ein Objektiv mit 160 mm Brennweite erzeugt einen feinen Spot für kleine Codes, verzeiht aber nur wenige Zehntelmillimeter. Mit 330 mm Brennweite liegt die Toleranz bei mehreren Millimetern, dafür wird der Spot gröber. Die Zusammenhänge zwischen Brennweite, Markierfeld und Spotgröße erklärt der Beitrag zu Galvo-Scanner und Brennweite.
Der UV-Laser mit 355 nm erzeugt bei gleicher Brennweite einen kleineren Spot als der Faserlaser mit 1064 nm. Seine Fokustoleranz fällt entsprechend knapper aus, und beim Einrichten müssen Sie genauer arbeiten.
Arbeitsabstand ist nicht gleich Brennweite
Ein häufiger Fehler beim ersten Einrichten: Der Bediener misst 160 mm von der Linse bis zum Bauteil, weil auf dem Objektiv “f = 160 mm” steht. Die Brennweite ist eine optische Rechengröße. Den mechanischen Arbeitsabstand misst man vom Objektivende oder Gehäuseflansch bis zur Werkstückoberfläche, und er weicht von der Brennweite ab. Den Wert für Ihr Objektiv finden Sie im Datenblatt oder in der Dokumentation der Anlage.
Dieser Wert ist ein guter Startpunkt. Fertigungstoleranzen der Optik, der Aufbau der Z-Achse und die Referenzkante, von der aus Sie messen, verschieben die tatsächliche Fokuslage um einige Zehntel. Für eine grobe Klarschrift reicht der Datenblattwert oft aus. Für feine Codes und Anlassmarkierungen ermitteln Sie die echte Lage mit einem Test.
Fokus finden mit Pilotlaser und Abstandslehre
Für den schnellen Start nutzen viele Anwender eine Abstandslehre: ein Klotz oder Messstab mit der Länge des Arbeitsabstands, den Sie zwischen Objektiv und Bauteil halten, während Sie die Z-Achse herunterfahren. Das geht schnell, ist aber nur so genau wie die Lehre und die Kante, an der Sie anlegen.
Manche Anlagen haben zwei Pilotstrahlen, die sich genau in der Fokusebene überdecken. Verfahren Sie die Z-Achse, bis beide Punkte zu einem verschmelzen. Der rote Pilotlaser an unseren Anlagen zeigt in erster Linie Lage und Größe der Markierung vor dem ersten Schuss. Für die Fokushöhe verlassen Sie sich besser auf einen der beiden folgenden Tests.
Der Rampentest: Fokuslage in einem Durchgang
Mit dem Rampentest finden Sie die Fokuslage in einem einzigen Markiervorgang. Sie brauchen ein ebenes Reststück aus dem Material, das Sie später beschriften, etwa einen Streifen Edelstahlblech von 100 mm Länge.
- Legen Sie das Blech schräg auf: Ein Ende liegt auf dem Tisch, das andere heben Sie mit einem Distanzstück an, zum Beispiel 10 mm. Auf 100 mm Länge steigt die Oberfläche dann um 0,1 mm pro Millimeter.
- Stellen Sie die Z-Achse so ein, dass der Arbeitsabstand aus dem Datenblatt ungefähr auf die Mitte der Rampe fällt. Dann liegt die echte Fokusebene mit hoher Wahrscheinlichkeit irgendwo auf dem Blech.
- Markieren Sie eine gerade Linie über die ganze Länge, mit moderater Leistung und hoher Geschwindigkeit. Zu viel Energie verwischt das Ergebnis, weil die Linie dann überall breit wird.
- Suchen Sie unter der Lupe die Stelle, an der die Linie am schmalsten und am kräftigsten ist. Dort liegt die Fokusebene.
- Messen Sie die Position dieser Stelle vom unteren Ende aus und rechnen Sie sie über die Steigung in eine Höhe um. Diese Höhe ist Ihr Fokus.
Auf Metall hilft während der Markierung auch das Ohr: In der Fokusebene klingt der Prozess meist am hellsten, und das Funkenbild ist am stärksten. Das ersetzt keine Messung, bestätigt aber das Ergebnis.
Der Stufentest für Anlagen mit Z-Achse
Hat Ihre Anlage eine Z-Achse mit Höhenanzeige, ist der Stufentest oft bequemer. Sie legen das Probeblech flach auf und markieren mehrere kleine Felder oder Linien nebeneinander. Vor jedem Feld fahren Sie die Z-Achse um einen festen Schritt weiter, etwa von 2 mm unterhalb bis 2 mm oberhalb des Datenblattwerts in Schritten von 0,2 mm. Beschriften Sie jedes Feld mit seinem Z-Wert, damit Sie das Ergebnis eindeutig zuordnen können.
Das beste Feld zeigt die Fokuslage. Liegen zwei Felder gleichauf, liegt der Fokus dazwischen, und ein zweiter Test mit 0,05-mm-Schritten in diesem Bereich bringt die Feinjustage. Bei kurzen Brennweiten und beim UV-Laser lohnt dieser zweite Durchgang fast immer.
Die GRAVIS und INTEGRA haben eine höhenverstellbare Z-Achse mit digitaler Anzeige der Fokushöhe, der GLX500 eine elektrische Z-Achse. Damit lesen Sie die Höhe jedes Testfelds direkt ab. Für alle drei Baureihen gibt es optional einen Autofokus: Eine Laser-Distanzmessung erfasst die Bauteiloberfläche und fährt die Z-Achse automatisch auf die Fokushöhe.
Gezielt defokussieren
Den schärfsten Fokus brauchen Sie nicht für jede Aufgabe. Ein leicht defokussierter Strahl hat einen größeren Spot und eine niedrigere Energiedichte. Beim Anlassen großer Flächen auf Edelstahl ergibt das oft eine gleichmäßigere Farbe, weil die einzelnen Linien der Füllung stärker ineinanderlaufen. Beim Schäumen heller Kunststoffe vermeidet ein kleiner Defokus, dass die Oberfläche lokal verbrennt.
Feine Linien und kleine DataMatrix-Codes markieren Sie dagegen im Fokus, ebenso Gravuren mit Abtrag. Bei tiefen Gravuren wandert die Oberfläche mit jeder abgetragenen Schicht nach unten, und Sie führen den Fokus entsprechend nach. Wie das in der Praxis aussieht, steht im Beitrag zur Tiefengravur in Metall.
Legen Sie außerdem im Parametersatz fest, ob Sie über oder unter der Fokusebene defokussieren, und behalten Sie diese Richtung bei. Auf manchen Materialien sieht das Ergebnis oberhalb und unterhalb des Fokus sichtbar unterschiedlich aus, obwohl der Abstand gleich ist.
Bauteile mit Stufen, Wölbungen und schwankender Höhe
Die Fokuslage gilt für eine Höhe. Ein Gehäuse mit Absatz, eine Welle oder ein Gussteil mit Toleranzen stellt Sie deshalb vor eine andere Frage: Wie bleibt die Oberfläche im Fokus, obwohl sie nicht überall gleich hoch liegt?
Bei Stufen teilen Sie die Markierung in zwei Schritte auf und fahren die Z-Achse dazwischen auf die zweite Höhe. Bei zylindrischen Teilen markiert eine Rotationsachse immer am höchsten Punkt, sodass der Abstand konstant bleibt, siehe Rundgravur mit Rotationsachse. Für Freiformflächen gibt es den 3D-Scankopf, der die Fokuslage während der Markierung dynamisch mitführt. Wer mit einer längeren Brennweite leben kann, gewinnt Fokustoleranz und verliert Feinheit.
Schwankende Bauteilhöhen in der Serie fangen Sie am besten mechanisch ab. Eine Vorrichtung mit definierter Auflage bringt jedes Teil auf dieselbe Höhe, und der Fokus muss nicht bei jedem Teil neu gesucht werden. Mehr dazu im Beitrag zu Vorrichtungen und Spannmitteln.
Typische Fehler, wenn Sie den Laser-Fokus einstellen
Hinter den meisten Fokusproblemen stecken einfache Ursachen:
- Der Bediener misst die Höhe auf der Schutzfolie oder auf einer Lackschicht und nicht auf der Fläche, die beschriftet wird.
- Das Bauteil liegt nicht plan, etwa auf einem Span oder einem Grat. Ein Ende ist dann im Fokus, das andere nicht.
- Nach einem Objektivwechsel bleibt die alte Z-Höhe stehen. Mit dem Objektiv ändern sich Arbeitsabstand und Feldkorrektur.
- Das Schutzglas vor dem Objektiv ist verschmutzt. Die Markierung wird blass, als wäre der Fokus falsch, und kein Höhentest hilft.
- Die Fokushöhe wurde einmal ermittelt, aber nirgends notiert. Beim nächsten Auftrag beginnt die Suche von vorn.
Fokushöhe dokumentieren und reproduzierbar halten
Speichern Sie die Z-Höhe zusammen mit Leistung, Geschwindigkeit, Frequenz und Pulsdauer im Job oder in der Materialbibliothek. Notieren Sie dazu, auf welche Referenz sich der Wert bezieht: Tischoberfläche, Oberkante der Vorrichtung oder Bauteiloberfläche. Mit einer digitalen Höhenanzeige oder einer elektrischen Z-Achse fahren Sie diesen Wert bei der nächsten Charge direkt an.
Erst wenn der Fokus sitzt, hat das Testraster für Leistung, Geschwindigkeit und Frequenz Aussagekraft. Wie Sie danach das Parameterfenster systematisch eingrenzen, beschreibt der Beitrag Laserparameter einstellen.
Wenn Sie wissen möchten, mit welcher Brennweite und welcher Fokustoleranz Ihr Bauteil sauber zu beschriften ist, schicken Sie uns ein Musterteil. Wir testen es in Rüthen auf dem GRAVIS Faserlaser oder dem UV-Laser und geben Ihnen die ermittelten Werte mit. Die Auswahl der passenden Anlage besprechen wir gern über Kontakt.