Fast jede Anfrage zur Serienkennzeichnung enthält irgendwann den Satz: “Wir haben einen Takt von 20 Sekunden, passt der Laser da rein?” Meist passt er, nur steht die entscheidende Zahl selten im Datenblatt. Die Taktzeit bei der Laserbeschriftung setzt sich aus der Markierzeit und allem zusammen, was davor und danach passiert. Beide Anteile lassen sich vorab ziemlich gut abschätzen, wenn man weiß, wo die Zeit hingeht.
Markierzeit und Taktzeit sind zwei verschiedene Zahlen
Die Markierzeit ist die Spanne, in der der Galvo-Scanner den Strahl über das Bauteil führt. Die Taktzeit ist der komplette Zyklus pro Teil: einlegen, Tür oder Schutzhaube schließen, gegebenenfalls Z-Achse oder Fokus anfahren, markieren, den Code prüfen, entnehmen. In der Kapazitätsplanung zählt nur die zweite Zahl.
Bei einem kleinen DataMatrix-Code auf eloxiertem Aluminium steht der Laser oft weniger als eine Sekunde im Einsatz, während das Einlegen von Hand zehn Sekunden dauert. Wer dann über eine stärkere Laserquelle nachdenkt, optimiert an der falschen Stelle. Umgekehrt gibt es Aufgaben wie großflächige Anlassmarkierungen oder Tiefengravuren, bei denen der Laser tatsächlich der Engpass ist. Bevor Sie optimieren, lohnt sich deshalb ein Blick darauf, welcher Anteil überwiegt.
Wovon die Markierzeit beim Laserbeschriften abhängt
Weglänge und Markiergeschwindigkeit
Der Scanner fährt jede Linie des Layouts ab. Die Markierzeit ergibt sich vor allem aus dem Gesamtweg geteilt durch die Markiergeschwindigkeit. Konturen und Einstrichschriften haben einen kurzen Weg. Gefüllte Flächen haben einen langen, weil der Laser sie Zeile für Zeile mit einer Schraffur abarbeitet. Wie die Schraffur aus der Grafik entsteht, beschreibt unser Beitrag zur Grafik für die Laserbeschriftung.
Für eine Fläche gilt die einfache Überschlagsrechnung: Fläche geteilt durch Linienabstand ergibt den Schraffurweg. Halbieren Sie den Linienabstand, verdoppelt sich die Zeit. Fahren Sie die Fläche in mehreren Durchgängen oder mit Kreuzschraffur, multipliziert sie sich entsprechend.
Sprünge und Verzögerungen
Zwischen zwei Linien springt der Scanner mit ausgeschaltetem Laser zum nächsten Startpunkt. Das geht schnell, weil nur zwei leichte Spiegel bewegt werden. Dazu kommen kleine Wartezeiten, die die Steuerung an jedem Linienanfang, jedem Linienende und an Ecken einrechnet, damit die Spiegel ihre Sollposition erreichen, bevor der Laser zündet. Jede dieser Verzögerungen liegt im Bereich von einigen zehn bis wenigen hundert Mikrosekunden.
Einzeln fällt das nicht auf. Eine Schraffur mit 300 Linien sammelt aber schon rund eine Zehntelsekunde nur an Verzögerungen an. Je kürzer die Linien sind, desto größer wird dieser Anteil, und genau das passiert bei kleiner, gefüllter Schrift. Wie Spiegel, Objektiv und Markierfeld zusammenspielen, erklärt der Beitrag zum Galvo-Scanner und F-Theta-Objektiv.
Rechenbeispiele: Füllfläche, Klarschrift und DataMatrix
Die folgenden Werte sind Überschlagsrechnungen auf Basis der Weglänge. Sie zeigen Größenordnungen und ersetzen keinen Testlauf am Bauteil.
| Markierung | Annahme | Weg | Markierzeit (ca.) |
|---|---|---|---|
| Füllfläche 10 × 10 mm, Eloxal abtragen | 0,03 mm Linienabstand, 1000 mm/s | 3,3 m | 3,3 s |
| dieselbe Fläche, Linienabstand 0,05 mm | 1000 mm/s | 2,0 m | 2,0 s |
| dieselbe Fläche, Anlassen auf Edelstahl | 0,03 mm Linienabstand, 300 mm/s | 3,3 m | 11 s |
| 14 Zeichen Klarschrift, 2 mm hoch, Einstrichschrift | 1000 mm/s | ca. 85 mm | ca. 0,1 s |
| dieselbe Zeile als gefüllte Konturschrift | 0,3 mm Strichstärke, 0,03 mm Linienabstand, 1000 mm/s | ca. 0,8 m in rund 1900 kurzen Linien | ca. 1,2 s |
Bei identischem Layout verändert das Verfahren die Zeit um mehr als den Faktor drei, weil Anlassen eine langsame Geschwindigkeit braucht. Bei Klarschrift macht die Schriftart sogar mehr als den Faktor zehn aus, denn bei gefüllter Schrift kommen zum längeren Weg die Verzögerungen vieler kurzer Linien. Eine Einstrichschrift ist für Seriennummern, Chargen und Datum meist gut lesbar und kostet einen Bruchteil der Zeit.
Ein DataMatrix-Code mit 16 × 16 Modulen und 0,25 mm Modulgröße ist rund 4 × 4 mm groß. Wird er als Fläche gefüllt, liegt die Markierzeit auf Eloxal meist unter einer Sekunde, beim Anlassen auf Edelstahl um eine Sekunde oder etwas darüber. Worauf es bei Modulgröße und Kontrast ankommt, damit der Code später sicher gelesen wird, steht im Beitrag zu QR-Codes, DataMatrix und Barcodes.
Was das Markierverfahren an Zeit kostet
Das Abtragen einer Deckschicht, etwa Eloxal oder Lack, ist meist das schnellste Verfahren. Die Schicht ist dünn, der Laser legt das Grundmaterial in einem Durchgang frei, und Sie können mit hoher Geschwindigkeit fahren.
Das Anlassen auf Edelstahl und Titan ist langsamer. Hier soll eine dünne Oxidschicht wachsen, ohne Material abzutragen, und dafür braucht die Oberfläche eine gleichmäßige, fein dosierte Wärme. Das gelingt mit niedriger Geschwindigkeit und engem Linienabstand, oft nur mit einigen hundert Millimetern pro Sekunde. Wer korrosionssicheres Schwarz auf Medizin- oder Lebensmittelteilen braucht, plant diese Zeit deshalb von Anfang an ein.
Bei der Tiefengravur fährt der Laser dieselbe Fläche viele Male ab und trägt pro Durchgang nur wenige Mikrometer ab. Für einige Zehntelmillimeter Tiefe sind dutzende Durchgänge normal, und aus Sekunden werden Minuten. Wie Sie dabei Füllwinkel und Fokus nachführen, beschreibt der Beitrag zur Tiefengravur in Metall.
Laserleistung, Pulsfrequenz und Geschwindigkeit
Die Energie, die eine Linie pro Millimeter ins Material bringt, ergibt sich aus mittlerer Leistung geteilt durch Geschwindigkeit. Verdoppeln Sie die Leistung, können Sie ungefähr doppelt so schnell fahren und erreichen dieselbe Wirkung. Deshalb spart mehr Watt bei Gravur und Abtrag Zeit.
Allerdings muss die Pulsfrequenz mitwachsen. Der Abstand zweier Pulse auf dem Bauteil ist Geschwindigkeit geteilt durch Frequenz. Bei 2000 mm/s und 100 kHz liegen die Pulse 20 µm auseinander, bei einem Fokus von rund 30 µm überlappen sie noch sauber. Fahren Sie mit 4000 mm/s bei gleicher Frequenz, wächst der Abstand auf 40 µm, und die Linie zerfällt in einzelne Punkte. Dann brauchen Sie 200 kHz, und bei höherer Frequenz sinkt die Energie pro Puls. Wie Sie solche Kombinationen systematisch finden, zeigt das Testraster zum Laserparameter einstellen.
Beim Anlassen hilft mehr Leistung nur begrenzt. Die Farbe hängt an der Wärmemenge und daran, wie schnell sie abfließt. Ab einem gewissen Punkt brennt die Markierung aus.
Taktzeit senken: wo die Sekunden tatsächlich liegen
Am Layout können Sie ohne Investition drehen. Prüfen Sie, ob Klarschrift als Einstrichschrift reicht und ob beim Logo eine Kontur genügt. Auch der Linienabstand muss oft nicht so eng sein: Auf vielen Oberflächen bleibt die Markierung mit 0,04 oder 0,05 mm noch gut lesbar. Ob das bei Ihrem Material gilt, zeigt nur das Muster.
Die Reihenfolge der Elemente spielt ebenfalls mit. Springt der Scanner zwischen weit auseinanderliegenden Feldern hin und her, summieren sich Sprünge und Verzögerungen. Sortiert die Software die Bearbeitungsreihenfolge nach Lage, werden die Sprünge kürzer. Bei kleinen Layouts bringt das wenig, bei vielen Einzelelementen im Feld wird es spürbar.
Den größten Hebel finden Sie bei Einzelbeladung meist im Handling. In unserem Beitrag zu Vorrichtungen für die Laserbeschriftung rechnen wir ein Beispiel mit vier Sekunden Laserzeit und zehn Sekunden Handling pro Hülse durch. Eine Mehrfachaufnahme mit zwanzig Teilen verteilt das Einlegen und Schließen auf alle Teile eines Durchgangs, und die Zeit pro Teil sinkt deutlich, ohne dass der Laser schneller wird. In einer Linie mit Förderband entfällt das Anhalten ganz, wenn der Laser im Durchlauf schreibt. Wie das mit Encoder und Synchronisation funktioniert, beschreibt der Beitrag Marking on the fly.
Wenn ein Kamerasystem den Code nach dem Markieren prüft, kommt dessen Lesezeit hinzu. Planen Sie sie mit ein und prüfen Sie, ob das Lesen parallel zum Entladen oder zum nächsten Markiervorgang laufen kann.
Messen statt schätzen
Die Rechnungen oben helfen bei der ersten Einordnung. Verbindlich wird die Taktzeit erst mit dem echten Layout auf dem echten Bauteil, weil Material, Oberflächenzustand und geforderter Kontrast die Parameter bestimmen. Schicken Sie uns Probeteile, Ihr Layout und Ihren Zieltakt. Wir markieren die Muster mit Parametern, die auf Ihre Taktzeit ausgelegt sind, und nennen Ihnen die gemessene Markierzeit.
Welche Maschine dazu passt, hängt am Ablauf. Der GRAVIS in Laserklasse 1 ist für kleine bis mittlere Serien mit Handbeladung ausgelegt, der INTEGRA für die Einbindung in Ihre eigene Anlage und der GLX500 für Großformat und Automation. Alle drei bauen wir in Rüthen, mit MOPA-Faserlaser bei 1064 nm oder als UV-Variante mit 355 nm, den GLX500 zusätzlich als CO2-Laser. Ihre Anfrage nehmen wir gern über den Kontakt entgegen.