DE19646990C2

DE19646990C2 - Vorrichtung zur Tiefenbeschriftung von Druckgasflaschen

Info

Publication number: DE19646990C2
Application number: DE19646990A
Authority: DE
Inventors: Reiner Hamm; Rainer Land
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 1996-11-14
Filing date: 1996-11-14
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2016-11-15
Also published as: DE19646990A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Beschriftungskopf zur Erzeugung vertiefter Zeichen, Markierungen oder Beschriftungen an Druckgasflaschen und die Verwendung der Vorrichtung.

Druckgasflaschen müssen mit verschiedenen technischen Angaben dauerhaft versehen werden. So muß z. B. eine Druckgasflasche nach den in regelmäßigen Zeitabständen stattfindenden Prüfungen durch den TÜV mit dem Prüfdatum versehen werden. Diese Beschriftung muß auch nach mehrfachem Strahlen und Lackieren noch lesbar sein, weshalb diese Beschriftung als Tiefenbeschriftung ausgebildet wird. Weitere Anforderungen an die Beschriftung und die Art ihrer Anbringung, z. B. hinsichtlich der Tiefe der Buchstaben oder der bei der Beschriftung auftretenden Temperatur ergeben sich aus den Sicherheitsbestimmungen für Druckgasflaschen. Nach dem Stand der Technik werden derartige Beschriftungen durch manuelles Einhämmern von individuellen Schriftzeichen mit Hilfe von Prägestempeln hergestellt. Dies ist mit einem hohen Arbeitsaufwand und einer hohen Lärmbelastung verbunden.

Es sind bereits Laser zur oberflächlichen Beschriftung von flachen Werkstücken bekannt, bei denen keine besonderen Anforderungen hinsichtlich der Verarbeitungsbedingungen bestehen.

DE 92 06 302 U1 beschreibt eine Vorrichtung zum Einformen einer Beschriftung an einer kegeligen oder kegelähnlichen Fläche von rotationssymmetrischen Körpern. Als Beschriftungswerkzeug werden ein Nadelpräger und ein Laserschneidgerät genannt.

EP 06 18 037 A1 beschreibt eine Schutz- und Absaugkammer für Laseranwendungen zur Materialbearbeitung, die auf die zu bearbeitende Fläche aufgesetzt wird und zur Abführung von erzeugtem Rauch, Dämpfen und Schmutz dient.

JP 07-0 01 171 A (Abstract) beschreibt eine Vorrichtung zum Laserschweißen unter Wasser, die eine Kammer zum Aufsetzen auf das Werkstück aufweist, mit deren Hilfe ein Laserstrahl auf das Werkstück gelenkt wird.

Geiger, S., "Laserbeschriftung durch Glasfasern mit Nd:YAG-Q-Switch- Laser", Laser und Optoelektronik, 1992, H. 3, S. 58-64, beschreibt Glasfaserübertragungssysteme für den industriellen Einsatz bei der Laserbeschriftung.

Meiners, E., "Abtragende Bearbeitung von Keramiken und Metallen mit gepulstem Nd:YAG-Laser als zweistufiger Prozess", Teubner Verlag, Stuttgart 1995, Seiten 67-71, beschreibt den Einfluß von Sauerstoff auf den Materialabtrag bei Stahl bei der Bearbeitung mit einem Laserstrahl.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Tiefenbeschriftung von Druckgasflaschen zu schaffen, welche eine Beschriftung gewährleistet, die nach mehrfachem Strahlen und Lackieren noch lesbar ist und welche eine Beschriftung mit einem geringeren Arbeitsaufwand und mit einer geringeren Lärmbelastung als nach dem Stand der Technik ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen gelöst.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß auch auf stark gekrümmten, insbesondere in zwei Richtungen gekrümmten Flächen, wie sie bei Druckgasflaschen vorhanden sind, sich mit Hilfe einer Laserbearbeitung zuverlässig Buchstaben einprägen lassen, wobei die Sicherheitsbestimmungen für Druckgasflaschen eingehalten werden können. Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, während der Bearbeitung ein Gas auf die Bearbeitungsstelle einzublasen, wodurch Material, das durch den Laserstrahl entfernt wurde, weggeblasen und anschließend abgesaugt wird. Vorteilhafterweise wird für diesen Blas- und Saugvorgang ein Bearbeitungskopf verwendet, in dem die entsprechenden Blas- und Saugvorrichtungen integriert sind, so daß die Bearbeitungsstelle nach außen hin abgeschirmt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt zunächst eine Grobpositionierung der Laservorrichtung bezüglich der Druckgasflasche mit mechanischen Mitteln, z. B. durch Ansetzen und Fixieren eines Bearbeitungskopfes an einem vorgesehenen Beschriftungsfeld der Druckgasflasche, während die Feineinstellung des Einstrahlpunkts des Laserstrahls vor dem Beschriftungsvorgang und die eigentliche Beschriftung durch Ablenken des Laserstrahls mit einem beweglichen Spiegelsystem erfolgt, das vorzugsweise in den Bearbeitungskopf integriert ist. Der Bearbeitungskopf weist vorzugsweise eine Einrichtung zum Feststellen der Position des Laserstrahls zumindest zu Beginn des Beschriftungsvorgangs auf, die z. B. durch eine Kamera, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Referenzlichtquelle, gebildet werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Bearbeitungskopf an einer Aufhängevorrichtung mit mindestens zwei Freiheitsgraden aufgehängt, wobei einer dieser Freiheitsgrade eine Drehung um die Längsachse der Druckgasflasche ist und ein weiterer Freiheitsgrad einer Bewegung mit einer Komponente in Längsrichtung der Längsachse der Druckgasflasche entspricht. Zusätzlich kann die Aufhängevorrichtung als weitere Freiheitsgrade eine Drehung um den Aufhängepunkt des Bearbeitungskopfes und um die Längsachse des Bearbeitungskopfes aufweisen.

Die Bewegung des Bearbeitungskopfes entsprechend den vorangehend genannten Freiheitsgeraden erfolgt vorzugsweise durch mechanische Stellglieder, die entweder automatisch über eine Steuereinrichtung oder von einem Betreiber über ein entsprechendes Steuerpult angesteuert werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß der in dieser Aufhängevorrichtung aufgehängte Bearbeitungskopf von Hand an die entsprechende Bearbeitungsstelle angesetzt wird und seine Position anschließend durch mechanische Mittel fixiert wird.

Der Bearbeitungskopf kann, insbesondere wenn er als Blas- und Saugkopf ausgebildet ist, eine auswechselbare Schnauze als Werkstückadapter aufweisen, die an die jeweilige Kontur der Druckgasflasche in dem Beschriftungsfeld angepaßt ist.

Das Verfahren arbeitet schneller und effizienter als das bisherige Prägeverfahren und führt insbesondere auch zu einer besseren Ausrichtung der Schriftzeichen. Das Verfahren läßt sich für die Erzeugung von Beschriftungen auf standardisierten Flaschen leicht automatisieren.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Beschriftungsvorrichtung

Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Aufhängevorrichtung für einen Bearbeitungskopf.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Beschriftung einer Druckgasflasche 1, die z. B. aus Stahl oder Aluminium bestehen kann, umfaßt einen Galvano-Beschriftungskopf 3, der über einen Lichtleiter 5 mit einem Laser 7, z. B. einem YAG-Laser, verbunden ist. Dieser Laser wird von einem Versorgungsschrank 9 mit Energie versorgt und von einem Zentralrechner 11 angesteuert.

Der Beschriftungskopf 3 weist ein von dem Rechner 11 angesteuertes bewegliches Spiegelsystem zum Ablenken des über den Lichtleiter 5 empfangenen Laserstrahls entlang der Beschriftungsfläche auf der Druckgasflasche 1 auf. Er enthält weiterhin eine Einrichtung zum Einblasen eines Gases auf die Bearbeitungsstelle sowie eine Einrichtung zum Absaugen dieses Gases zusammen mit dem durch den Laserstrahl entfernten Material. An seinem vorderen Ende weist der Beschriftungskopf weiterhin einen Werkstückadapter 13 auf, der an die Kontur der zu beschriftenden Fläche angepaßt ist. Dieser Werkstückadapter 13 schließt die Bearbeitungsfläche dicht ab und kann ausgewechselt werden, um den Beschriftungskopf an verschiedene Typen von Druckgasflaschen anzupassen. Der Beschriftungskopf 3 weist weiterhin eine Kamera auf, welche das Beschriftungsfeld auf der Druckgasflasche bei aufgesetztem Beschriftungskopf 3 abbildet. Er enthält außerdem eine Referenzlichtquelle, welche an der Stelle, an welcher der zur Bearbeitung verwendete Laserstrahl aufgrund der Stellung des beweglichen Spiegelsystems auftreffen würde, einen Lichtpunkt erzeugt. Dieser Lichtpunkt gestattet die Feineinstellung des Anfangspunkts der Beschriftung, ohne daß der zur Bearbeitung verwendete Laserstrahl auf die Beschriftungsfläche eingestrahlt werden muß. Das in den Beschriftungskopf 3 integrierte Spiegelsystem kann manuell über eine entsprechende Schnittstelle, z. B. über die Tastatur des Rechners 11, angesteuert werden. Bei eingeschalteter Referenzlichtquelle kann das Spiegelsystem daher so eingestellt werden, daß der Laserstrahl, der zur Bearbeitung verwendet wird, zu Beginn der Beschriftung an der richtigen Stelle des Beschriftungsfeldes einfällt. Diese Feineinstellung kann mit Hilfe der in den Beschriftungskopf 3 integrierten Kamera überwacht werden.

Für die Erzeugung von Schriftzeichen auf der Druckgasflasche wird das bewegliche Spiegelsystem in dem Beschriftungskopf 3 von dem Zentralrechner 11 derart angesteuert, daß der über den Lichtleiter 5 zugeführte Laserstrahl, der auf das Beschriftungsfeld der Druckgasflasche 1 einfällt, entsprechend der Form der zu erzeugenden Schriftzeichen bewegt wird. Typischerweise fährt der Laserstrahl die Konturen eines Schriftzeichens mehrfach ab, um die notwendige Schriftzeichentiefe zu erzeugen, z. B. dreimal für eine Tiefe von 0,4 mm.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Aufhängevorrichtung für den Beschriftungskopf zusammen mit einer zu beschriftenden Druckgasflasche 1, deren Längsachse mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet ist. Der Beschriftungskopf ist in Längsrichtung der Achse 20 beweglich an einem Arm 22 aufgehängt, der seinerseits an einem zu ihm senkrechten Arm 24 in einer Richtung quer zur Längsachse 20 beweglich aufgehängt ist. Der Arm 24 ist um eine Achse parallel zur Längsachse der Druckgasflasche 1 drehbar, wobei diese Drehachse bei der Beschriftung mit der Längsachse 20 der Druckgasflasche zusammenfällt. Die gesamte Aufhängevorrichtung kann, wie in Fig. 2 angedeutet, quer zu der Längsachse 20 verschiebbar sein, so daß mehrere nebeneinanderstehende Druckgasflaschen nacheinander beschriftet werden können. Der Beschriftungskopf 3 ist weiterhin um seinen Aufhängepunkt an dem Arm 22 sowie um seine Längsachse drehbar gelagert. Die durch die Aufhängung an den Armen 22 und 24 gegebenen Freiheitsgrade (Drehung um die Achse 20, lineare Bewegung parallel zur Achse 20 und lineare Bewegung senkrecht zu der Achse 20) ermöglichen das Positionieren des Beschriftungskopfes 3 an einem vorgesehenen Beschriftungsfeld der Druckgasflasche 1. Die Rotationsfreiheitsgerade bezüglich der Längsachse des Beschriftungskopfes und bezüglich der Achse um seinen Aufhängepunkt ermöglichen das Ausrichten des Werkstückadapters 12 entsprechend der Kontur des Beschriftungsfeldes derart, daß er ringsum dicht an dem Beschriftungsfeld anliegt. Das Ansetzen des Beschriftungskopfes 3 an der Druckgasflasche kann von Hand erfolgen, wobei nach dem Positionieren der Beschriftungskopf 3 und die Arme 22 und 24 mechanisch arretiert werden, um den Beschriftungskopf 3 an seiner Position zu halten. Alternativ können auch Stellglieder vorgesehen sein, welche von einer automatischen Steuereinrichtung oder einem Bedienungspult aus angesteuert werden und welche den Beschriftungskopf 3 zu der gewünschten Position führen und während des Beschriftens in dieser Position halten.

Für umfangreichere Beschriftungen kann man so vorgehen, daß das zu beschriftende Gebiet in mehrere Beschriftungsfelder unterteilt wird, die nacheinander beschriftet werden. Dabei wird der Beschriftungskopf nach dem Beschriften eines Feldes azimutal und ggf. auch in Richtung der Achse 20 so nachgeführt, daß sich an ein beschriftetes Feld unmittelbar ein weiteres Beschriftungsfeld anschließt.

Es wird vorteilhaft während des Beschriftungsvorganges über den Beschriftungskopf ein Gas auf die zu beschriftende Fläche eingeblasen. Das Gas kann ein Inertgas wie Stickstoff oder ein Reaktivgas wie Luft oder Sauerstoff sein. Die Verwendung von einem Reaktivgas unterstützt den Materialabtrag während der Beschriftung. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von reinem Sauerstoff.

Ein Beispiel für eine geignete Laserquelle ist in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 2 zeigt Versuchsdaten von verschiedenen Beispielen.

Die Zeichen oder Markierungen haben im allgemeinen eine Tiefe im Bereich von 0,1 bis 1 mm, vorteilhaft im Bereich von 0,3 bis 0,8 mm und besonders vorteilhaft im Bereich von 0,3 bis 0,6 mm. Die Größe der Zeichen liegt im allgemeinen im Bereich von 1 mm bis 10 cm, bevorzugt im Bereich von 5 mm bis 3 cm. Die Zeichen und Markierungen werden bevorzugt im Schulterbereich der Druckgasflasche angebracht.

Die Druckgasflaschen haben gewöhnlich eine Größe im Bereich von 1 Liter bis 250 Liter. Die Druckgasflaschen bestehen im allgemeinen aus Metall, zum Beispiel Stahl oder Aluminium.

Tabelle 1

Technische Daten einer geeigneten Laserquelle (gepulster Nd:YAG Laser, Laserstrahlauskopplung in Lichtleitfaser)

Bezugszeichenliste

1

Druckgasflasche

3

Galvano-Beschriftungskopf

5

Lichtleiter

7

Laser

9

Versorgungsschrank

11

Rechner

13

Werkstückadapter

20

Drehachse

22

Aufhängearm

24

Aufhängearm

Claims

1. Vorrichtung mit einem Beschriftungskopf zur Erzeugung vertiefter Zeichen, Markierungen oder Beschriftungen an Druckgasflaschen, insbesondere an Druckgasflaschen aus Stahl oder Aluminium, mit Hilfe von Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschriftungskopf (3) den Laserstrahl über einen Lichtleiter empfängt und ein bewegliches Spiegelsystem zum Ablenken des Laserstrahls umfaßt und einen Werkstückadapter (13) aufweist, dessen Kontur der zu bearbeitenden Fläche angepaßt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschriftungskopf (3) eine Kamera aufweist, welche das Beschriftungsfeld auf der Druckgasflasche bei aufgesetztem Beschriftungskopf (3) abbildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschriftungskopf (3) eine Referenzlichtquelle zur Feineinstellung des Anfangspunktes der Beschriftung enthält.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschriftungskopf (3) eine Einrichtung zum Einblasen eines Gases, insbesondere von Sauerstoff, auf die Bearbeitungsstelle und zum Absaugen des Gases aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschriftungskopf (3) derart in einer Positioniervorrichtung (22, 24) aufgehängt ist, daß sein Aufhängepunkt entsprechend eine Drehbewegung um eine Achse (20), welche der Längsachse einer Druckgasflasche (1) entspricht, sowie einer linearen Komponente in Richtung der Achse (20) verlagert werden kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschriftungskopf (3) um seinen Aufhängepunkt in der Positioniervorrichtung (22, 24) verschwenkbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Stellglieder enthält, die von einer automatischen Steuereinrichtung oder einem Bedienungspult aus angesteuert werden und welche den Beschriftungskopf (3) zu der gewünschten Position führen und während des Beschriftens in dieser Position halten.

8. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Erzeugung vertiefter Zeichen, Markierungen oder Beschriftungen an Druckgasflaschen.