Präzise Markierung von Metallteilen

Hersteller müssen häufig verschiedene Arten von Metallteilen kennzeichnen. Für einige dieser Teile sind möglicherweise mehrere komplexe Codes erforderlich, während für andere nur einige einfache Zahlen erforderlich sind. In jedem Fall müssen die Markierungen jedoch dauerhaft sein, unabhängig von der Teilegröße.

Riesenräder und Bergbaumaschinen bestehen aus mehreren großen Stahlteilen, und einige davon – wie die Antriebskette – müssen zur Identifizierung und Rückverfolgbarkeit dauerhaft gekennzeichnet werden. Tsubakimoto Chain Co. stellt Antriebsketten für eine Vielzahl von Anwendungen her, darunter Riesenräder und Bergbaumaschinen.

Im Jahr 2015 begann Tsubakimoto, ein kundenspezifisches Förderband mit zwei integrierten Nadelprägemaschinen von Kwik Mark Inc. zu verwenden, um Seriennummern auf den Gliedern jeder Antriebskette zu markieren und so die Produktionsdaten besser verfolgen zu können.

Emil Cindric, Präsident von Kwik Mark, sagt, dass jedes Glied bis zu 24 Zoll lang, 20 Zoll breit und bis zu 2 Zoll dick ist. Die Markierungsmaschinen sitzen nebeneinander in der Mitte oben auf dem Förderband und sind entlang der Förderbandlänge verstellbar. Sie drucken schnell Seriennummern, Datumscodes und andere Informationen auf die Links. Laut Cindric konnte Tsubakimoto mit dem automatisierten 2-Tonnen-Förderer seine Teilekennzeichnungsproduktion verdoppeln.

Auch in Luft- und Raumfahrtmotoren gibt es Metallteile, die präzise und kontrastreiche Markierungen erfordern. Ein Präzisionsluft- und Raumfahrtunternehmen verwendet ein kundenspezifisches Ritzmarkierungssystem von Columbia Marking Tools (CMT), um eine breite Palette von Motorteilen für die Luft- und Raumfahrt zu kennzeichnen.

Laut Michelle Krembel, Präsidentin von CMT, erzeugt das System kontrastreiche Markierungen und ist in eine Großserienproduktionslinie integriert. Nachdem das Teil an der Markierungsstation markiert wurde, stellt ein Bildverarbeitungssystem sicher, dass alle Markierungen den Spezifikationen entsprechen. Anschließend wird das Teil zur weiteren Montage zur nächsten Station transportiert.

Nadelprägen und Ritzen sind zwei von mehreren Methoden, die Herstellern zum Markieren von Metallteilen zur Verfügung stehen. Manuelles Stempeln, Schlagmaschinen, chemisches Ätzen, Tintenstrahldrucken und Laser erzeugen auch hochwertige Markierungen auf Stahl, Edelstahl, Aluminium, Titan, Messing und Kupfer.

Die Art des zu markierenden Metalls bestimmt oft, welche Methode die beste ist. Ebenso wichtige Faktoren sind die Anwendungsanforderungen, Umweltfaktoren (wie Feuchtigkeit oder chemische Einwirkung), Budget und Produktionsanforderungen.

Die wöchentliche Fernsehsendung Dragnet der 1960er Jahre unterhielt ihre Zuschauer nicht nur. Außerdem wurde ihnen nach jeder Episode eine kurze Demonstration des manuellen Metallstanzens geboten. Bei der Demo schlug ein Mann mit einem Hammer zweimal einen Stempel gegen ein Metallblech. Nachdem der Mann den Stempel entfernt hatte, stellte sich heraus, dass eine eingerückte römische Ziffer VII Teil des Logos des Produzenten der Show, Mark VII Limited, war.

„Das Handstanzen von Metallteilen bleibt eine kostengünstige und dauerhafte Markierungsmethode, ist aber arbeitsintensiv“, bemerkt Krembel. „Trotzdem wird es häufig von Mitarbeitern der Qualitätskontrolle verwendet, um Teile zu kennzeichnen, die die Endkontrolle bestanden haben. Tatsächlich stempeln einige Automobilhersteller ihre Logos immer noch von Hand auf Motoren und andere firmeneigene Teile.“

Der Handstempel ist lediglich ein rechteckiges Stück Metall, in dessen eines Ende ein oder mehrere Zeichen eingraviert sind. Es kann direkt mit einem Hammer geschlagen, in einen Handhalter gelegt, um eine gleichmäßige Vertiefung zu gewährleisten, oder in eine Presse montiert werden. Metallstempel gibt es in allen Formen und Größen und können leicht mit fast jedem Text, Logo oder Symbol personalisiert werden. Komplexe Matrizen können sogar Ziffern automatisch weiterschalten, um fortlaufende Seriennummern zu erstellen.

Kleine Handstempel werden häufig zum Markieren von Edelstahlmessern verwendet, bemerkt Matt Martin, Vertriebs- und Marketingleiter bei Durable Technologies. Größere Stempel werden zur Kennzeichnung von Konsumgütern wie Außengrills verwendet.

Vor einigen Jahren hat Geo. T. Schmidt Inc. hat separate kundenspezifische Prägestempel für die Produktionslinien GrillMaster und Coleman von Sunbeam Products erstellt. Die zweiteiligen Briefmarken konfigurierten die Beschriftung der Wörter „off“, „high“ und „low“ neu; und erstellte eine Blitzgrafik und ein Firmenlogo. Die passgenauen Stempel wurden in vorhandene Blechmatrizen eingesetzt, die die Brennerböden ausschneiden.

Bei der Rollmarkierung, einer Variante des Handprägens, wird eine runde Matrize über ein flaches Metallteil gerollt oder ein rundes Teil an einer flachen Matrize vorbeigerollt. Der von der Markiermaschine auf die Stempelfläche ausgeübte Druck hinterlässt einen bleibenden Eindruck auf der Metalloberfläche. Martin sagt, dass diese Methode für Anwendungen empfohlen wird, bei denen die Markierungsoberfläche empfindlich ist oder durch den mit einer typischen Schlagmarkierungspresse ausgeübten Druck beschädigt werden könnte.

Ein Hersteller von Zuglagern installierte kürzlich die vollelektrische, servoangetriebene Rollenmarkierungsmaschine Modell 960 von Columbia, um Teile- und Seriennummern, einen Datumscode und den Satz „Made in the USA“ auf seine Radlager zu drucken. Die Maschine verwendet die D2D-Methode (Durchmesser-zu-Durchmesser), um einen gleichmäßigen Markierungsdruck auf Teile mit rundem Durchmesser zu erzeugen. Dies gewährleistet hochwertige Markierungen auf allen Teilen, auch auf solchen mit Flanschen, die um bis zu 0,25 Zoll variieren, Krümmungen von mehr als 10 Prozent und inkonsistent geformten Kupplungen. Die Standardmaschinenreihe kann mit Teilefixierung, Automatisierung oder manuellem Betrieb, Lichtvorhang oder doppelten Sicherheitshandtasten sowie kompletten schlüsselfertigen Steuerungen ausgestattet werden.

Luftschlagmarkierer nutzen Masse und Luftdruck, um einen kleinen Stempel schnell in Metall zu hämmern. Laut Krembel haben diese Markierer eine Zykluszeit von weniger als 1 Sekunde, kosten viel weniger als Nadel- und Lasersysteme, bieten eine hohe Wiederholgenauigkeit und sind vielseitig genug, um in komplette Montagelinien oder schlüsselfertige Arbeitsstationen integriert zu werden. Es sind auch Luft-über-Öl- und hydraulische Aufprallmarkierer erhältlich, wobei letztere bis zu 10.000 US-Dollar kosten können, verglichen mit etwa 3.000 US-Dollar für ein luftbetriebenes Gerät.

Die Luftaufprallmarkierer der Slide-A-Mark 751-Serie von CMT bieten Teleskopwirkung mit Teilevorspannung. Sie können bis zu 20 0,125-Zoll-Zeichen in 0,5 Sekunden markieren. Die Einheiten werden häufig zum Markieren von Teilenummern, Seriennummern und Datumscodes verwendet.

Diese Geräte sind auch in der Lage, Markierungen auf der Vorder- oder Rückseite des Teils vorzunehmen. Für den Betrieb unter Wasser stehen weitere ähnliche Geräte zur Verfügung. Die Strichlänge beträgt bis zu 10 Zoll. Die verbindende SPS erhält ein DC-Signal, wenn der Markiervorgang abgeschlossen ist.

Das Gravieren ist eine weitere beliebte Methode zum Markieren von Metallteilen. Dieser Ansatz umfasst Nadelprägung und Ritzmarkierung.

Beim Punktstrahlen trifft ein Stift aus gehärtetem Hartmetall oder mit Diamantspitze leicht, aber schnell auf das Teil und hinterlässt eine Reihe einzelner Punkte, die so eng beieinander liegen, dass sie als durchgezogene Linie erscheinen. Hersteller schätzen die Methode, weil sie schnell fehlerfreie Barcodes, Logos, alphanumerische Zeichen und 2D-Matrixcodes unterschiedlicher Größe und Tiefe erzeugt.

„Einer der Hauptvorteile des Nadelprägens besteht darin, dass es Metall graviert, ohne es zu entfernen oder Späne zu erzeugen“, bemerkt Cindric. „Der Stift bewegt sich so schnell, bis zu 200 Mal pro Sekunde, dass er ohne Festigkeitsverlust einen kontrollierten Mikroaufprall auf das Metall erzeugt.“

Da der lange Hub des Stifts Teiledicken und Oberflächenschwankungen sehr gut verträgt, „schwebt“ er laut Cindric auf der zu markierenden Oberfläche. Mit dieser Funktion können runde Teile so markiert werden, als wären sie flach.

Cindric sagt, dass seine Kunden das Nadelprägen auf den meisten Metallen anwenden, darunter Aluminium, Messing, Stahl und Edelstahl. Bei dem Verfahren kommen keine Schneidwerkzeuge zum Einsatz, die sich erwärmen und abnutzen, was es ideal zum Markieren von Materialien mit einer Härte von HRC 60 bis 62 macht. Das Nadelprägen kann auch durch die meisten Oberflächenbeschichtungen oder Folien hindurch markieren und eignet sich gut für den Einsatz mit Förderbändern, Drehregler und Roboter in automatisierten Produktionslinien.

Der Nachteil ist, dass nadelgeprägte 2D-Matrixcodes manchmal einen geringen Kontrast aufweisen. Dies kann auf der ganzen Linie zu Leseproblemen führen, sofern nicht bei richtiger Beleuchtung ein guter Kontrast in den Bildern erzeugt werden kann.

Letztes Jahr stellte Kwik Mark seinen stromlinienförmigen Nadelmarkierer der X-Serie mit sechs Bewegungssteuerungsachsen und einem einziehbaren freitragenden Markierkopf vor. Der Markierer eignet sich ideal zum Markieren von Arbeiten jedes beliebigen Umfangs und sein Kopf sorgt für eine klare Sichtlinie, indem er Werkzeuge und Geräte zurückzieht und darüber hinwegfährt. Zu den wichtigsten Konstruktionskomponenten gehören zwei starre Leitspindeln mit aufrechter Säule, Kugelführungen, bürstenlose Servomotoren, berührungslose Home-Sensoren und ein großer T-Nutentisch zur Befestigung. Der Markierer verfügt über eine programmierbare Z-Achse (bis zur vollen Säulenhöhe) und erfordert zum Betrieb weder einen PC noch eine Steuerbox.

Ebenfalls bei Kwik Mark erhältlich ist die Nadelprägemaschine Micro Mark. Es kann in Handheld-Anwendungen per Auslöser oder bei Integration in Montagelinien per Knopfdruck aktiviert werden. Das Gerät hat eine kleine Stellfläche (3 x 5 x 6 Zoll) und ist leicht (5 Pfund), bietet jedoch eine Markierungsfläche von 1 x 2,5 Zoll, die für die meisten Anwendungen geeignet ist. Alle Texte (einzeilig oder mehrzeilig) und Grafiken werden beim Markieren automatisch zentriert, egal ob in der X-, Y- oder beiden Achsen. Diese Fähigkeit gewährleistet eine genaue Markierung runder Teile wie Rohre.

Alle Kwik Mark-Produkte verfügen über die iTeach-Funktion, mit der der Bediener die Markierungsspitze als Zeiger verwenden kann, um Text auf einem Radius, einem Winkel, innerhalb eines definierten Bereichs oder an mehreren definierten Stellen genau zu markieren. Bei Radiustext berührt der Bediener drei beliebige Punkte entlang eines Bogens oder Lochs, und dann ermittelt die Maschine automatisch den Radius sowie den Anfangs- und Endwinkel, bevor sie den Text auf diesem Radius platziert.

Bei der Ritzmarkierung wird der Stift in das Metall gedrückt und anschließend durch das Material gezogen. Da das Ritzen mehr Kraft erfordert als das Nadelprägen, ist die Ritzmaschine größer, nicht tragbar und verfügt über einen größeren Motor.

Die Silent Scribe-Version des Nadelprägesystems der I-MARK-Serie von CMT markiert bis zu vier Zeichen pro Sekunde. Das von einer Kugelumlaufspindel angetriebene System verfügt über zwei Markierfensteroptionen (mittelgroß und groß) und ist mit eindeutiger Identifikation (UID) und 2D-Square-Dot-kompatibel. Sein I-Mark-Controller ist kompakt und lässt sich problemlos in Produktionsanlagen integrieren.

Zu den Kommunikationsoptionen für den Controller gehören Fernprogrammierung über LAN und Betriebssteuerung über I/O, Modbus, serielles und Ethernet-IP. Benutzer können den Controller mit einem 17-Zoll-Touchscreen-Monitor aufrüsten. Eine Sockelhalterung ist optional.

Einige Hersteller statten ihre CNC-Maschinen lieber mit Nadel- oder Ritznadeln aus, statt separate Geräte zu kaufen. Dieser Ansatz erfreut sich bei Schusswaffenherstellern großer Beliebtheit.

Mehrere nutzen die MLCube-Maschine von DATRON Dynamics Inc. zum Gravieren von Langwaffen. Der Verfahrbereich der Maschine von 60 x 40 Zoll kann mit einem pneumatischen Spannsystem zur Werkstückspannung ausgestattet werden.

Der DuraDot-Aufsatz von Durable Technologies erstellt alphanumerische Zeichen, Logos und andere Arten von Markierungen. Der spindelbetriebene Markierer lässt sich problemlos in vertikale oder horizontale Maschinen integrieren und kann manuell beladen oder über automatische Werkzeugwechselprozesse verfahren werden.

Luft- und Raumfahrt- und Elektronikhersteller nutzen häufig elektrochemisches Ätzen zur Kennzeichnung ihrer Produkte. Bei dieser Methode wird eine mit Elektrolyt getränkte Elektrode auf eine Schablone gedrückt, die über dem Teil platziert wird. Wenn Strom durch die Schablone geleitet wird, löst sich Material unter der Schablone auf und erzeugt eine Markierung. Je länger der Strom vorhanden ist, desto tiefer ist die Markierung.

Trockenätzen wird auf ähnliche Weise durchgeführt, jedoch mit feinem Schleifkorn, das durch eine Schablone geblasen wird. Bei diesem Verfahren werden Metalle mit harten, eloxierten oder hochglanzpolierten Oberflächen markiert, beispielsweise Handwerkzeuge oder Badezimmerarmaturen. Es entsteht ein mattierter Eindruck.

Elektrochemisches Ätzen erzeugt sehr scharfe Markierungen mit scharfen Kanten bis zu einer Tiefe von 0,006 Zoll. Ebenso wichtig ist, dass es wärmebehandeltes Metall über HRC 60 leicht durchbrennt und die physikalischen oder chemischen Eigenschaften des Teils nicht schwächt. Der letztgenannte Vorteil macht diese Methode zu einer guten Wahl beim Markieren zerbrechlicher und dünnwandiger Teile, wie z. B. Leiterplatten.

Der Nachteil ist, dass elektrochemisches Ätzen nur leitende Oberflächen markiert und nur dann kosteneffektiv ist, wenn wiederholt dieselbe Markierung erzeugt wird. Es werden Verbrauchsmaterialien verwendet, da die Schablone irgendwann verschleißt und ersetzt werden muss. Außerdem müssen Monteure beim Umgang mit der gefährlichen Säure vorsichtig sein, und der Prozess lässt sich nur schwer automatisieren, da er mehrere Schritte erfordert.

Bei der Oberflächenmarkierung wird Tinte direkt auf das Metall aufgetragen, anstatt das Oberflächenmaterial zu entfernen. Die Tinte kann auf verschiedene Arten aufgetragen werden.

Für Teile, die einen einfachen Punkt erfordern, kann ein nachfüllbarer Filzstift, der an einem Pneumatikzylinder montiert ist, ausreichend sein. Wenn mehrere kleine Punkte benötigt werden, können diese mit einem pneumatischen Sprühventil aufgetragen werden.

Ein Tampondrucker ist ideal für konturierte, strukturierte und komplexe Markierungen auf Edelstahl sowie blankem, eloxiertem, lackiertem oder pulverbeschichtetem Metall. Bei dieser Methode wird ein Bild in eine Klischeeplatte geätzt, diese mit einer lösungsmittelhaltigen Tinte überflutet und der Überschuss abgekratzt. Auf die Platte und anschließend auf das Teil wird ein Silikonpad gedrückt. Die Tinte löst sich vom Pad und bleibt an der Oberfläche des Teils haften.

Für Serienmarkierungsanwendungen ist ein kontinuierliches Tintenstrahlsystem erforderlich. Im Druckkopf des Systems wird ein feiner Strahl unter Druck stehender Tinte in einen Strom einzelner Tropfen mit elektrostatischer Ladung zerlegt. Die Flugrichtung jedes Tropfens variiert mit der Größe der Ladung. Für den Druck nicht benötigte Tintentropfen werden nicht elektrostatisch aufgeladen und in einer Auffangrinne zum Recycling gesammelt.

„Tintendruck ist normalerweise nicht so dauerhaft wie das Gravieren, aber eine Vielzahl von Tinten sind speziell dafür entwickelt, länger auf Metall zu halten, indem sie Lösungsmitteln und ätzenden Chemikalien widerstehen“, erklärt John Folkers, technischer Leiter der Forschungs- und Entwicklungsgruppe bei Videojet Technologies. „Dauerhafte rote, blaue und weiße Tinten bieten einen hohen Kontrast für Codes und andere Markierungen. Darüber hinaus lassen sich tintenbasierte Markierungssysteme problemlos in Produktionslinien integrieren und stellen für die Arbeiter kaum Sicherheitsbedenken dar.“

Der kontinuierliche Tintenstrahldrucker 1710 von Videojet ist für Anwendungen konzipiert, die gut lesbare variable Daten auf dunklen Oberflächen erfordern. Der Drucker verwendet pigmentierte Tinten, um kontrastreiche, saubere Codes auf vielen gängigen und schwer zu kennzeichnenden Materialien in der Luft- und Raumfahrtindustrie zu erstellen, wie z. B. beschichteten und blanken Metallen. Laut Folkers empfiehlt Videojet aufgrund der hervorragenden Haftung und Lichtbeständigkeit der Tinte die Verwendung einer schwarzen, undurchsichtigen oder weißen Tinte mit dem Drucker zum Markieren von Metallteilen. Die weiße Tinte enthält starke Pigmente und sorgt für einen hohen Kontrast auf Teilen wie Bremsbelägen.

Wenn die Anwendung eine großvolumige Teilemarkierung erfordert, ist ein laserbasiertes System die beste Wahl. Diese Systeme verwenden einen von mehreren Lasertypen: Kohlendioxid (CO2), Ytterbiumfaser (Yb: Faser), Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (Nd: YAG) und Neodym-dotiertes Yttriumorthovanadat (YVO4) mit Infrarot, Grün oder Ultraviolett (UV)-Ausgänge – zum präzisen Markieren von Stahl, Edelstahl, eloxiertem Aluminium, Messing, Kupfer und Titan.

Der Laser wird auf die Metalloberfläche fokussiert, um entweder durch Gravieren, Glühen oder Entfernen eines Teils der Oberfläche eine Markierung zu erzeugen. Beim Lasergravieren wird das Oberflächenmaterial verdampft. Durch das Glühen verändert sich die Farbe des Metalls und es entsteht eine kontrastierende Markierung. Das Oberflächenentfernungsverfahren wird bei mehrschichtigen Materialien wie eloxiertem Aluminium eingesetzt.

Laser können jedes Zeichen oder Bild markieren, das erstellt oder in CAD-basierte oder Grafiksoftwareprogramme wie Illustrator und Corel Draw importiert werden kann. Diese Fähigkeit, gepaart mit der Tatsache, dass diese Systeme keine Verbrauchsmaterialien benötigen und höhere Geschwindigkeiten bieten, trägt dazu bei, dass die Lasermarkierung immer beliebter wird.

Das kleine, aber leistungsstarke Videojet 7610-System verwendet einen 100-Watt-Yb:-Faserlaser, um gestochen scharfe, klare Codes mit bis zu 600 Metern pro Minute auf Aluminium- und Edelstahlteilen zu erzeugen. Sein Präzisionsscankopf liefert konsistent hochwertige Codes über das gesamte Markierungsfenster, das groß ist, um den Durchsatz zu erhöhen und die Produktivität zu maximieren. Die Markierung kann laut Folkers an beweglichen oder stationären Teilen erfolgen. Die luftgekühlte Laserquelle ist wartungsarm und hat eine Lebenserwartung von bis zu 100.000 Stunden.

Sowohl die Desktop- als auch die Linearversion des Samurai UV-Lasermarkierungssystems von DPSS Lasers Inc. bieten einen großen Arbeitsbereich und hohe Wiederholungsraten. Der 355-Nanometer-UV-Wellenlängenlaser des Systems bietet eine kleine Strahlfleckgröße mit großer Fokustiefe, was zu beschädigungsfreien und dauerhaften Markierungen auf verschiedenen Metallen führt. Die Anwendungen reichen von der Produktkodierung und Mikrobearbeitung an medizinischen Geräten und Teilen für die Luft- und Raumfahrt bis hin zum Ritzen von Saphiren und der Entfernung von Indium-Zinn-Oxid. In beiden Ausführungen sind Ein-, 2- und 3-Watt-Modelle erhältlich. Zu den weiteren Merkmalen können ein Gehäuse der Klasse 1 gehören, das den FDA-Sicherheitsrichtlinien entspricht, eine große Vordertür für den Zugang zum Arbeitsbereich und eine intuitive Steuerungssoftware, mit der Benutzer innerhalb weniger Minuten nach dem Systemstart vom Entwurf zur Markierung übergehen können.

„Die meisten unserer Kunden möchten, dass der Laser eine fotochemische Reaktion auf der Metalloberfläche auslöst, ohne diese tatsächlich zu gravieren oder zu beschädigen“, erklärt Allie Constantino, Marketingmanagerin bei DPSS Lasers. „Auf Edelstahlteilen erzeugt unser UV-Laser Doppelkohlenstoffbindungen auf der Oberfläche und hochauflösende, dauerhafte Markierungen.“

Im Jahr 2017 entwickelte CMT seine Black-Out-Workstation, bei der die Rückseite eines befestigten Metallteils gleichzeitig als Gehäuseseite bei der Laserbeschriftung dient. Seitliche Drucksensoren bestätigen, dass das Teil ordnungsgemäß befestigt ist, bevor mit der Lasermarkierung begonnen wird. Für den sicheren Halt konisch geformter Teile dient ein spezieller Nasenbügel.

Krembel sagt, dass Automobilhersteller die Workstation häufig nutzen, weil sie die Ausfallzeiten zwischen Lasermarkierungsprojekten verkürzt. Zu den weiteren Ausstattungsmerkmalen der Station gehören ein vollständiger Perimeterschutz, ein Lichtvorhang zum sicheren manuellen Laden von Teilen, Lasersteuerungen, ein Maschinensteuerpult und verstellbare Nivellierfüße.

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.