「LASER FRAMEWORK」がシーメンスのデジタルファクトリーで存在感を示す

メーカーが自社製品に固有の識別マークを付ける必要性が高まっています。その一因は、政府が定めるコンプライアンス要件を満たすためです。また、産業ユーザーや消費者双方から、製品の詳細なトレーサビリティを求める声も高まっています。 

政府や産業界もまた、製造業者に対し、カーボンフットプリントの削減や、より環境に配慮した手法を用いた製品製造を求めています。しかし、トレーサビリティや文書化の徹底といった要件と、より環境に優しい生産手法との間には、時に矛盾が生じることがあります。これは、コンプライアンス基準の遵守において特に顕著であり、こうした基準の遵守には、往々にして大量の紙の書類作成が伴うからです。

Manufacturing leader Siemens has developed an effective way to meet both these needs with their “ID Link” initiative – an all-digital approach to product documentation. And precision laser marking systems from Coherent – which produce high precision marks and integrate seamlessly into the digital factory – are a key enabling technology in bringing the ID Link program into production. 

マーキングの難題

大量生産環境においてID Linkマークを作成するには、技術的に大きな課題が伴います。その一部はマークそのものに関連しています。具体的には、ID LinkのQRコードにはかなりの量のデータが含まれています。製品自体が物理的に小さい場合、読み取り可能にするためには、このマークを非常に高解像度で作成する必要があります。 

さらに、マーキング作業では、IDリンクだけでなく、それ以上の情報が刻印されるのが一般的です。通常、この際、他にも数多くのマークや記号が刻印されます。図1は、シーメンスのファクトリーオートメーション部門の代表的な製品を示しています。この製品には、実際には両面にマーキングが施されています。 

この特定のデバイスに必要な一連のマーキングを行うにあたっては、他にもいくつかの課題があります。その一つは、デバイスの表面の一部が窪んでいることです。つまり、その部分は表面の他の部分よりも低い位置にあるのです。そのため、マーキングシステムは再焦点合わせが可能で、表面全体に高解像度のマーキングを施せる必要があります。 

また、LEDインジケーターの横にはいくつかの目盛りが配置されています。そのため、目盛りの絶対的な位置が重要になります。したがって、各数字は適切なLEDの横に表示されなければなりません。さらに、シーメンスは各ユニット間で高い一貫性を求めており、どのユニットにおいても、目盛りがLEDから常に同じ距離に配置される必要があります。

シーメンスの産業用オートメーション製品の多くは極めて大量に生産されているため、こうしたマーキングを行う際の難しさはさらに増しています。そのため、特定の工程（これらすべての識別子のマーキングなど）のタクトタイムは短くなければなりません。文字通り、わずか数秒です。 

The other challenge in implementing ID Link in production is software related. In particular, the marking system must interface with other factory automation and Manufacturing Execution Systems (MES) to receive the information necessary to properly identify the part, and then get the specific information (serial number, etc.) for the mark itself. After marking, the laser system must transmit data about the finished part back to the production control software. 

マーキングシステムの開発

“We never considered using any non-laser marking technology for this application,” notes Tobias Mittnacht, ID Link Project Manager at Siemens. “We’re producing a high-value product in large quantities, and we want a legible mark that is cosmetically attractive and matches the quality and perceived value of our part. Plus, the mark must be indelible; these parts are handled quite a bit by users, and we don’t want the mark coming off or smudging.

“Additionally, we need to be able to produce these marks quickly, and rapidly change the mark pattern as different part variations come down the production line. Finally, to fully integrate marking into our digital factory, we need to have the marking system automatically generate each unique mark based on data coming from our PLM System. Laser marking is the only technology that delivers on all these requirements,” adds Herbert Biller.

この場合、実際にマークを形成するには、薄い層の暗い色の熱可塑性樹脂を除去し、その下にある明るい色のプラスチックを露出させる必要があります。赤外線で動作する_Nd:_YVO4レーザーは、この作業に最適な光源です。特定のポリマーが赤外線を十分に吸収しない場合、代わりにUV Nd:_YVO4レーザーが使用されます。 

The hardware solution presented by Coherent for this application was a PowerLine E25 laser marking engine. This integrates an Nd:YVO₄  laser with an xy galvanometer scanner and F-theta scan lens, plus all the necessary control electronics. The actual production system uses two lasers to independently mark on two sides of the device simultaneously.  A fast-focusing module is used in the scanner that marks the surface having two different levels. This enables the scanner to refocus and make the sharpest possible mark no matter what the surface height.

A key element for achieving the required mark placement accuracy is the integrated, through-the-lens (TTL) vision system PartVision. It examines and verifies the part prior to marking and tells the scanner how to adjust for variations in position caused by material handling and part transport tolerances.  

PartVisionが必要とされるのは、ビジョンシステムとレーザースキャナーの視界のズレを防ぐためです。このビジョンシステムは、マーキング後の検査にも使用されます。

デジタルファクトリーとの連携

“We chose to partner with Coherent because they are the only laser company that offers the degree of vertical integration that we require. In particular, this means providing the laser hardware and applications assistance for refining the process recipes. And it includes having the capabilities and willingness to develop all the layers of software required to integrate the marker smoothly into our digital factory,” reports Bernhard Mayer, Head of New Machine & New Product Introduction. 

“I think Coherent were able to achieve this software integration so quickly because of Laser FrameWork. It’s much more than just a user interface and environment for rapidly defining new process recipes. It truly is a framework that enables connectivity with other elements in the digital factory.”

「Laser FrameWorkが提供するもう一つの利点は、ビジョンシステムとのシームレスな統合です。当社にとって、マーキング位置の精度は極めて重要であり、さらに当社の用途では超高速での動作も求められます。これまでの経験上、サードパーティ製のビジョンシステムをレーザーマーカーに追加する場合、これらを実現するのは非常に困難です。当社が求めるオンデマンドでの精度を実現するには、組み込み型ビジョンシステムが必要不可欠なのです。」

Tobias Mittnacht points out that, “One example of Laser FrameWork flexibility, plus the willingness of Coherent to support our specific needs, showed up in implementing the surrounding frame for the ID Link. This frame must adapt dynamically with the QR code size. Coherent was the first laser manufacturer who delivered this capability within their software.” 

Herbert Biller adds, “A final bonus of Laser FrameWork is that it’s backwards compatible. We have a large installed base of Coherent marking systems. We’re able to upgrade these to our current standards with Laser FrameWork. This saves us a tremendous capital expense.” 

Digital manufacturing is becoming increasingly popular because it enables companies to respond more quickly to changing demands, increases production efficiency, reduces labor content, and improves quality. Coherent Laser FrameWork enables Coherent laser machines to operate successfully in the digital environment. And support from Coherent in developing applications based on Laser FrameWork can rapidly get these solutions into production. 

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