Ab wann rechnet sich ein eigenes System?

Von Marcus Seineke, Nürnberg

Das Laserbeschriften wird mit dem Angebot an kostengünstigen Lasern zunehmend interessant für die Anwendung in der eigenen Produktion. Dazu ist es empfehlenswert, die heute üblichen Technologien zum Kennzeichnen von Produkten miteinander zu vergleichen. In Betracht kommen vor allem das Nadelprägesystem, das Ätzen sowie Verfahren zum Bedrucken. Lediglich die Möglichkeit zum Aufbringen von farbigen Kennzeichnungen ist mittels Laser nicht realisierbar. Gegenüber allen anderen Methoden ist die Laserbeschriftung im Vorteil. Die Anschaffung eines eigenen Lasers hängt damit in erster Linie von der zu beschriftenden Stückzahl ab.

Laser Marking for Increased Efficiency – at What Point is an In-House System Justified?

In-house laser marking and laser engraving facilities are increasingly attractive as the cost of the requisite equipment falls. It is thus useful to compare the currently available technologies for application of product markings. Such technologies can be broadly classified as those using needle heads, etching and imprinting. It should be noted that use of laser marking does not currently allow creation of coloured markings. Apart from this drawback, laser marking technology scores highly as compared with other methods. Investing in an in-house laser marking machine is thus primarily a question of the production volumes involved.

Wenn Produkte immer vergleichbarer werden und für alle Arten von Fertigungsteilen immer mehr Wettbewerber auf den Markt drängen, ist zuletzt eine Differenzierung nur noch mit dem besseren Produkt möglich. Die Kennzeichnung von Fertigungsteilen ist heute bereits eine Notwendigkeit und wird in Zukunft mehr und mehr an Bedeutung gewinnen – schlicht, um eine durchgängige Qualitätssicherung und somit eine konstante Produktqualität zu erreichen und um somit im internationalen Wettbewerb noch bestehen zu können. Um aber die eigene Produktqualität steigern zu können, ist es erforderlich, stets alle am Entstehungsprozess der Produkte beteiligten Parameter zu überwachen. Weiterhin ist es unerlässlich, jederzeit nachverfolgen zu können, wann welches Produkt gefertigt wurde – nur so lassen sich Fehlerquellen nachvollziehen und Maßnahmen ergreifen, um zukünftig diese Fehler auszuschließen.

Es gibt viele verschiedene Prozessparameter, die alle die Qualität der gefertigten Teile­ bestimmen:

• Vorgaben
  Vorgaben des Endkunden; im Wesent­lichen die Zeichnungsvorgabe mit exakten Maßen, Toleranzen und Eigenschaften ist die Grundlage aller im Auftrag gefertigten Produkte. Handelt es sich um ein eigenes Produkt, sind es die eigenen Vorgaben, welche die Qualität des endgültigen Produkts bestimmen.
• Bediener
  Die Kompetenz des oder der Ma­schinenbediener(s), der für die Fertigung der Teile verantwortlich ist, kann ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf die endgültige Qualität der Produkte­ haben. Selbst bei hervorragend ausgebildetem Personal sind in jedem Fall menschliche Fehler niemals komplett auszuschließen.
• Maschinen
  Besonders die Genauigkeit und Ausrüstung der Bearbeitungsmaschinen hat natürlich mit den größten Einfluss auf die Qualität der gefertigten Teile. Veraltete oder technisch nicht ausreichend ausgerüstete Anlagen führen sehr oft zu Qualitätsproblemen.
• Material
  Schließlich hat das eingesetzte Material – auch wenn in der Regel eine Vorgabe vom Kunden besteht – einen großen Einfluss auf die Produktqualität. So können sich natürlich entscheidende Produkt­eigenschaften ändern, wenn ein Materiallieferant beispielsweise eine falsche Legierung liefert.

Sicherung der Nachverfolgbarkeit

Eine Herausforderung stellt die Nachverfolgbarkeit eines Produkts nach dessen Auslieferung dar, insbesondere die Frage nach den für einen Mangel relevanten Faktoren mit den entsprechenden Verantwortlichkeiten, beispielsweise im Falle einer Reklamation durch den Kunden. Dies kann nur dann sicher beantwortet werden, wenn genau bekannt ist, um welches Produkt (inklusive Variante und Zeichnungsstand) es sich handelt und auf welcher Maschine mit welchem Material es von welchem Bediener gefertigt wurde. Nachvollziehbar ist dies, auch Wochen oder Monate nach der Auslieferung, durch eine eindeutige Kennzeichnung auf dem Werkstück selbst!

Diese Kennzeichnung kann eine Chargennummer oder im besten Fall sogar eine laufende Nummer auf jedem einzelnen Teil sein. Mittels Laserkennzeichnung lässt sich dies problemlos einführen und laufend anwenden.

Sisma-Laserkennzeichnungssysteme ermöglichen die Aufbringung von Texten, Zahlen, laufenden Nummern, Datumscodes und maschinenlesbaren Codes (wie etwa dem Datamatrixcode). Nach einer einfachen und verständlichen Schulung von etwa einem halben Tag ist der Anwender in der Lage, diese Technologie in seiner Produktion zu nutzen,

Um alle produzierten Teile durchgehend zu kennzeichnen, wird oftmals noch die manuelle Kennzeichnung (z. B. mit einem Gravierstift oder mittels Schlagzahlen) angewendet. Auch ist die Kennzeichnung direkt in der Werkzeugmaschine mit einem Gravierstichel noch weit verbreitet. Die verschiedenen Verfahren haben ihre Vor- und Nachteile. Hinsichtlich der Qualität und noch viel mehr hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit bieten Lasersysteme hier aber – ab gewissen Stückzahlen – einen erheblichen Vorteil.

Die Laserbeschriftung bietet im Vergleich zu anderen Kennzeichnungssystemen einige Vorteile, jedoch müssen die jeweiligen Eigenschaften (betrachtet werden hier ausschließlich Festkörperlaser) stets im direkten Vergleich zu einzelnen, anderen Technologien betrachtet werden.

Zudem ist zu bedenken, dass durch das höhere Investment für Laseranlagen im Vergleich zu anderen Technologien entweder eine entsprechend hohe Stückzahl an Teilen pro Jahr beschriftet werden muss oder der Einsatz von Laserbeschriftungssystemen durch andere Vorteile gerechtfertigt sein sollte.

Vergleich zu Nadelprägesysteme

Nadelprägesysteme sind mit einer oszillierenden Nadel ausgestattet, die zusätzlich über konventionelle Antriebe verfahren werden kann. Durch die Oszillation (Auf-/Abbewegung der Nadel) entsteht eine Vertiefung/Prägung im Werkstück. Durch mechanisches Bewegen der Nadel können Texte und auch beispielsweise Datamatrixcodes erzeugt werden. Mit diesem Verfahren lassen sich üblicherweise nur metallische, robuste Werkstoffe (Stahl, Aluminiumlegierungen) als stabile Teile kennzeichnen.

Der Vorteil eines Beschriftungslasers im Vergleich zu Nadelprägesystemen liegt zunächst darin, dass neben Metallen auch Kunststoffe und andere Materialien, wie beispielsweise Keramiken, sowie auch fragile Bauteile beschriftet werden können. Weiterhin können mit dem Laser auch Grafiken – wie beispielsweise Firmenlogos – in höchster Qualität aufgebracht werden (Abb. 1).

Des Weiteren ist mit dem Laser eine weniger invasive Beschriftung möglich, was bedeutet, dass keine Werkstoffvertiefungen erzeugt werden und Gefügeänderungen vermieden oder minimiert werden können. Speziell für letzteres bietet sich die ­sogenannte Anlassbeschriftung an.

Als Betriebskosten fallen beim Nadelprägen neben dem regelmäßigen, verschleißbedingten Austauschen der Prägenadel früher oder später Wartungen an der Antriebseinheit an. Moderne, luftgekühlte faser­basierte Beschriftungslaser sind hier im Wesentlichen wartungsfrei, sodass auch keine Stillstandszeiten zu erwarten sind.

Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Geräuschentwicklung, die beim Laser­beschriften in der Regel deutlich geringer als beim Nadelprägen ist.

Vergleich zum elektrolytischen Ätzen

Beim elektrolytischen Ätzen wird im ersten Schritt eine Markierschablone, welche die jeweilige Beschriftung enthält, auf das zu beschriftende Werkstück, das elektrisch leitend sein muss, aufgelegt. Anschließend wird ein Elektrolyt zwischen Werkstück und einer Gegenelektrode eingebracht und das Werkstück mit Strom beaufschlagt. In den Aussparungen der Schablone findet ein Anätzen der Oberfläche statt, das heißt, es werden Vertiefungen in der Oberfläche ­(Mikrorauheiten) erzeugt, aus denen sich ein Abbild (Beschriftung, Logo, Datenmatrixcode) an der Oberfläche des Werkstücks ergibt. Abschließend wird die Oberfläche des Werkstücks mit einem Neutralisator behandelt beziehungsweise gespült.

Das elektrolytische Ätzen ist zwar eine Kennzeichnungstechnik mit nur geringen Investitionskosten, bietet im Vergleich zur Laserbeschriftung aber gravierende Nachteile. Allem voran steht der sorgfältige Umgang mit dem Elektrolyten, der je nach Werkstoff ätzend sein kann. Der Elektrolyt ist in der Regel gesundheitsschädlich beim Einatmen, Verschlucken und bei Berührung mit der Haut. Somit stellt dies ein Sicherheitsrisiko für den Anwender dar und erfordert eine fachgerechte Entsorgung. Auch der zu verwendende Neutralisator ist in der Regel reizend für Haut und Augen.

Bei der Kostenbetrachtung spielt der Umgang mit dem Elektrolyten, insbesondere der relativ langsame Gesamtvorgang durch das sorgfältige Zugeben und Entfernen von Elektrolyt und Schablone, sowie die beschränkte Nutzungsdauer der Schablonen eine wichtige Rolle.

Ein weiterer gravierender Nachteil der Ätztechnik ist die prinzipbedingte Einschränkung hinsichtlich variabler Daten, komplexer Grafiken und beispielsweise ­Datamatrixcodes – diese Elemente können mit dieser Technik nicht umgesetzt werden (Titelbild: Datenmatrixcode auf Stahl). Hinzu kommt, dass das elektrolytische Ätzen nicht oder nur schwer automatisierbar ist, also in der Regel nur bei sehr kleinen Stückzahlen sinnvoll und auf den Bereich der Metallbeschriftung beschränkt ist.

Vergleich zum Stempeln/Prägen

Mechanische Präge- beziehungsweise Stempelverfahren werden noch sehr oft in der Industrie eingesetzt, haben jedoch – je nach Anwendungsfall – erhebliche Nachteile. So können mit mechanischen Verfahren nur schwer variable Daten umgesetzt werden. Dies ist lediglich in automatisierten Rollprägeeinrichtungen als Klartext üblich. Spätestens bei der Erzeugung variabler Codes scheidet dieses Verfahren aus. Die Erzeugung von Barcodes ist mittels Prägen ebenso kaum oder nicht möglich, da hier ein gewisses Kontrastverhältnis gegeben sein muss, das mittels Prägen nicht erreicht wird. Großflächige und qualitativ hochwertige Kennzeichnungen sprechen üblicherweise auch gegen den Einsatz der Prägetechnik.

Das Prägen/Stempeln wird – aufgrund der benötigten Krafteinwirkung – auch nur auf massiven, metallischen Werkstücken eingesetzt. Im Bereich der Kunststoffverarbeitung ist gegebenenfalls noch das Heiß­prägen möglich.

In jedem Fall muss man bedenken, dass Stempel- und Prägewerkzeuge einem ständigen Verschleiß unterliegen und somit nicht nur regelmäßig ersetzt oder überarbeitet werden müssen, sondern dass bei einsetzendem Verschleiß auch die Qualität der Kennzeichnung nachlässt (Abb. 3).

Der Einsatz von Laserbeschriftungssystemen hingegen ermöglicht die problemlose­ Aufbringung von variablen Daten und Codes – auch Barcodes – auf verschiedensten­ Werkstoffen. Dies gilt auch für empfind­liche und filigrane Werkstücke. Weiterhin können mit einem Beschriftungslaser problemlos auch großflächige und qualitativ sehr hochwertige Beschriftungen ohne verschleißbedingte Qualitätsverluste über einen sehr langen Zeitraum erzeugt werden.

Vergleich zum Bedrucken

Die Drucktechnik – in den unterschiedlichen Verfahrensarten, wie zum Beispiel Tampondruck, Siebdruck oder Stempeldruck – bietet gegenüber dem Laserbeschriftungsverfahren zwei entscheidende Vorteile. Zum einen können relativ einfach beliebigste Farben gedruckt werden (Abb. 4), zum anderen ist das Bedruckungsverfahren üblicherweise schneller als die Laserkennzeichnung, da bei einer Bedruckung das komplette Schriftbild in einem Zug aufgebracht wird, während Lasersysteme (unabhängig vom Aufbau) stets Linie für Linie ziehen müssen.

Abb. 4: Druckbeschriftung

Die Vorteile der Laserkennzeichnung sind jedoch zum einen die Aufbringung variabler Daten ebenso wie die Haltbarkeit der Kennzeichnung – zudem kann bei bestimmten Materialien (Stahl, aber auch bestimmte Kunststoffe) ein Farbumschlag erzielt werden.

Während bei Druckverfahren ein Medium (Farbe, Tinte) aufgebracht werden muss, wird bei der Laserkennzeichnung die Werkstückoberfläche – und damit das Werkstück selbst – direkt verändert. Hierdurch werden auch bei stärker mechanischer Beanspruchung der Werkstückoberflächen Haltbarkeiten von vielen Jahren erreicht. Speziell mittels Lasergravur lässt sich eine faktisch unlöschbare Kennzeichnung er­reichen.

Vergleich zum Etikettieren

Der Vollständigkeit halber sei noch das Etikettieren erwähnt, das ebenfalls – dank ­automatisierter Systeme – in der Industrie zum Einsatz kommt. Generell ist dieses Verfahren jedoch kaum mit der direkten Werkstückkennzeichnung, wie es Beschriftungslaser ermöglichen, vergleichbar.

Zahlen und Fakten

Bereits heute werden Werkstücke in großer Zahl bei externen Dienstleistern mit einem Laserbeschriftungssystem gekennzeichnet.­ Diese Variante der Beschriftung ist bis zu einer gewissen Stückzahl wirtschaftlich, wobei der Zeitaufwand für den Transport zur reinen Bearbeitungszeit der Teile beim Dienstleister hinzuzurechnen ist.

Anhand konkreter Zahlen wird nachfolgend ein Anhaltspunkt gegeben, ab wann sich die Anschaffung eines eigenen Lasersystems rechnen kann. Ausgegangen wird hierbei von folgenden Daten:

• 20 Werkstücke pro Tag, beziehungsweise bei 220 Werktagen circa 4400 Teile pro Jahr
• Taktzeit (Einlegen, Kennzeichnen, Entnehmen, manueller Vorgang) beträgt etwa 60 Sekunden
• Anschaffungskosten des Lasersystems liegen bei circa 20 000 Euro

Aus diesen Werten berechnen sich Stückkosten (inklusive Abschreibung, Gemeinkosten, Personalkosten) von 1,59 Euro. Tabelle 1 zeigt den sich hieraus ergebenden Vergleich der unterschiedlichen Arbeits­methoden. 

Diese Betrachtung lässt jedoch außer­ Acht, dass mittels Laserkennzeichnungs­system wesentlich mehr Möglichkeiten bestehen, als etwa bei einer manuellen Kennzeichnung – so zum Beispiel die Kennzeichnung von Datamatrixcodes oder Grafiken.

www.sisma-laser.de