З середини-1960 ХХ століття лазери використовувалися для маркування, травлення та різання. Перша у світі машина для лазерного маркування була розроблена в 1965 році для майбутнього свердління отворів у формах для виробництва алмазів, і згодом ця технологія набула швидкого розвитку.
Раннє впровадженняCO2 лазери для маркуваннявідбулося в 1967 році, а технологія досягла зрілості в середині-1970 минулого століття завдяки комерціалізації сучасних лазерних систем CO2. З тих пір системи лазерного маркування стали основою в багатьох галузях промисловості від аерокосмічної промисловості до виробництва медичних приладів, фармацевтики та роздрібної торгівлі.
Незважаючи на конкуренцію з іншими технологіями, такими як струменевий друк, лазери вважаються потужною, недорогою та повторюваною технологією маркування. Важливо те, що процес є екологічно чистим і не потребує витратних матеріалів (таких як чорнило, картриджі та папір). Тепер системи лазерного маркування більше не покладаються виключно на CO2-лазери; інші, такі як волоконні лазери та твердотільні джерела світла Nd: YAG, пропонують меншу площу, нижчу вартість обслуговування та ефективні альтернативи; і прогрес у технологічних можливостях очевидний. Найшвидші комерційні машини для лазерного маркування тепер можуть обробляти десятки тисяч деталей на годину.
Хоча еволюція технології лазерного маркування була швидкою, виробники та користувачі систем лазерного маркування зараз шукають нові шляхи, щоб розширити межі технології маркування, щоб відповідати новим викликам і покращувати результати обробки.
Лазерне маркування керамічної схеми
Ці виклики пов’язані з новими матеріалами, які потрібно обробляти, і новими застосуваннями, які потребують зростання та інновацій, одночасно формуючи ринок розробки лазерних систем.
Наприклад,керамікає одним із найшвидше зростаючих матеріалів у лазерній обробці, і цей матеріал особливо важливий у виробництві напівпровідникових деталей і друкованих плат. Друковані плати (PCB), які часто називають «матір’ю всіх електронних системних продуктів», є компонентом, який використовується практично у всіх електронних продуктах, і невеликі зміни в розробці PCB мають значний вплив на ринкові тенденції.
В останні роки фокус змістився на використання кераміки в звичайних друкованих платах (PCB), які виготовлені з пластикових епоксидних смол, таких як FP4. Керамічні друковані плати чудово піддаються термічній обробці, прості в застосуванні та забезпечують чудову продуктивність порівняно з некерамічними друкованими платами. Однак багато методів маркування, наприклад трафаретна обробка, не підходять для кераміки. Маркування чорнилом на кераміці є громіздким, вимагає кількох витратних матеріалів і нестійким до стирання. Крихкість і твердість кераміки також робить її одним із найважчих матеріалів для маркування.
Як наслідок, останніми роками лазери набули популярності як альтернатива технології чорнильного друку, і багато лазерних компаній розробили системи, які особливо підходять для керамічного маркування, такі як твердотільні УФ-лазери з діодним накачуванням, а також звичайні CO2 лазери.
«Це включає тенденцію до мініатюризації», — каже Ендрю Мей, директор компанії з лазерного маркування. Однак він підкреслює, що впровадження нових ринкових тенденцій також потребує часу: «Чи з’являється нова заявка щотижня? Ні. Але 15 років тому ми ніколи не розмічали мініатюрну кераміку, а тепер ми це робимо».
Гнучкіші матеріали, форми та розміри
Однак, незважаючи на швидке зростання, керамічне маркування в електроніці наразі не є найбільшим ринком для компаній, що займаються лазерним маркуванням. «Найбільшою галуззю для нас є медичні прилади, — каже Ендрю Мей, — потім автомобільна, електроніка та загальні інженерні компоненти. Асортимент необхідних продуктів значно відрізняється залежно від галузі та галузі, про яку йдеться».
Компанія має вісім лазерних систем (п’ять із яких керуються галвом), які надають послуги маркування для широкого спектру застосувань. Через це, а також через те, що компанія постійно залучає нових клієнтів із індивідуальними вимогами, Мей підкреслює, що здатність бути гнучким є життєво важливою. У результаті він використовує лазери, придатні для маркування різних матеріалів, форм і розмірів, а також різних розмірів партій. Асортимент маркерів, які він може запропонувати, також різноманітний, як і його клієнтська база, з його лазерами, здатними виробляти будь-що, від кодів до графіки та матриць даних - усе на високій швидкості та з високою відтворюваністю.
Таким чином, забезпечення цієї гнучкості є необхідністю для виробників машин для лазерного маркування, таких якBluhm Systeme.
Попит на відстеження компонентів зростає
Ще одним важливим напрямком у сфері лазерного маркування є забезпечення та вдосконалення простежуваності – індивідуальної ідентифікації товару за допомогою унікального ідентифікаційного знака на його поверхні. Це маркування може приймати різні форми, але все більш популярним і важливим стає використання матриць даних, таких як двовимірні коди (QR-коди).
Позначивши окремий продукт власним унікальним кодом матриці даних, його можна легко ідентифікувати ненав’язливим способом за ключовими деталями, такими як виробник, номер партії та термін служби. Це забезпечує гарантію якості: споживачі та користувачі можуть визначити точне походження продукту. Така гарантія якості створює прямий зв’язок між споживачем і виробником і надає продукту додаткову вартість, дозволяючи їм конкурувати з дешевшим виробництвом. Завдяки своїй неймовірній точності лазер ідеально підходить для написання детальних кодів розміром до 200 мкм — надто малий, щоб його побачив хтось, хто проходить повз, але його легко перевірити за допомогою смартфона, якщо людина знає своє місцезнаходження. При таких розмірах матриці даних можна використовувати для захисту від підробок, що дозволяє легко перевірити справжність високоякісних товарів ненав’язливим способом. Це має величезний вплив на фармацевтичну промисловість, оскільки це спосіб гарантувати, що такі ліки, як таблетки, не виробляються та не розповсюджуються шахрайським шляхом.
Відстеження компонентів також відіграє важливу роль, коли вони використовуються як докази в судовому процесі. Наприклад, якщо хтось має медичну трансплантацію, і трансплантація не вдається, відстеження дозволяє йому точно знати, що пішло не так, де пішло не так і в якій партії пішло не так. Це, безумовно, підвищує ефективність таких речей, як відкликання продуктів, але також дає клієнту більше автономії. Це може бути неочевидним, але оскільки суспільство стає все більш зацікавленим у судових процесах, технологія, яка може покращити судові вироки, повинна буде йти в ногу з цим.
Простежуваність також сприяє іншій тенденції у виробництві: покращенню екологічної стійкості та зменшенню впливу на навколишнє середовище. Відстежуючи продукт, щоб знати, коли він виходить з ладу, або знаючи, коли він досягає кінця свого життєвого циклу, виробники мають більше можливостей завчасно замінювати та переробляти. Це також означає, що продукти можна повернути для відновлення за призначенням, тому менше обладнання може потрапляти на звалище.
Однак поточні системи маркування матриці даних стикаються з багатьма проблемами. Деякі матеріали ускладнюють роботу, зокрема скло та полімери, а також тонкі метали та фольга. Маркування також має бути постійним і стабільним, а система повинна бути здатною вміщувати широкий діапазон розмірів продукції.
Особливою проблемою для деяких лазерних маркувальних машин є маркування на неплоських поверхнях. Струменеві принтери все ще переважають лазерні системи в цій галузі. У результаті системні інженери працюють над подоланням цих проблем. Наприклад, деякі виробники систем лазерного маркування пропонують CO2- та волоконні лазери із середньою потужністю 20-500 Вт і різною тривалістю циклу, оснащені оптикою для фокусування з автоматичним налаштуванням для використання на 3D-поверхнях, яку можна налаштувати відповідно до кривизни об'єкт. Щоб врахувати поверхні з невідомою геометрією, системи використовують систему зору з автофокусуванням, яка спочатку сканує 3D-поверхню, а потім регулює лазерний фокус під час процесу маркування.
Однак неплоскі поверхні — не єдина проблема, з якою стикаються виробники систем лазерного маркування. Доктор Флоран Тібо, генеральний директор виробника рішень для лазерного маркування, пояснює: «У багатьох випадках рішення для маркування, стандартизовані в усьому світі, наприклад струменеві, не можуть задовольнити вимоги, необхідні для надання конкретного знака для кожного продукту. Наразі , звичайне використання лазерів уже доступне як безперервний метод, як і використання пера. Однак це недостатньо швидко – нам потрібно знайти рішення, яке збалансує обсяг виробництва та точність».
Це впливає на послідовне маркування, оскільки лазерне маркування має змінюватися для кожного продукту, тому наявність технології маркування, яку можна адаптувати до кожного продукту, має вирішальне значення. Виробники вимагають надзвичайно високої продуктивності - маркування має адаптуватися, а швидкість маркування має бути високою - і це навіть не бере до уваги труднощі обробки певних матеріалів, таких як скло чи полімери.
Щоб вирішити цю проблему, виробник рішень для лазерного маркування запатентував свою технологію VULQ1, яка отримала нагороду Laser Systems Innovation Award на цьогорічному виставці Laser World Photonics Industrial Production Engineering, яка не передбачає використання одного безперервного променя світла (як і у випадку зі звичайними системами маркування). Замість цього він використовує сотні світлових променів, щоб створити ефект, схожий на штамп, створюючи весь код матриці даних миттєво. Метод, який використовується для створення цієї унікальної печатки, полягає в динамічному формуванні променя, яке досягається за допомогою таких компонентів, як просторовий модулятор світла (SLM), який може налаштовуватися на основі кожного знімка, щоб створювати промені з унікальною структурою.
У той час як інші технології лазерного маркування можуть надавати пріоритет високій частоті повторення для високої пропускної здатності, ця технологія використовує вищу енергію імпульсу та паралельну обробку для кращих результатів.
Тібо каже: «Ця схема маркування, схожа на штамп, відкриває величезний потенціал продуктивності для двовимірного маркування штрих-кодом і проста у застосуванні».
Наприклад, його технологію можна використовувати для маркування медичних деталей з ПВХ кодом матриці даних шириною 570-мкм зі швидкістю 77,000 на годину. Інші матеріали, які система може позначати, включають алюміній, покритий полімером HDPE; скло вапняно-натрієве; боросилікатне скло, чисте золото та епоксидний формований композит.
Тібо додає: «Розміри візерунків можуть становити всього 100 мкм, зберігаючи при цьому ідеальну чіткість читання, навіть якщо розмітки по прямій лінії, оскільки всі точки позначаються одночасно». Більше того, оскільки їй не потрібно покладатися на високі частоти повторення, технологія може створювати системи з використанням готових інфрачервоних і зелених лазерів Nd: YAG із частотою повторення близько 20-30 Гц, гарантуючи, що її системи залишатися максимально економічно ефективним.
Надшвидкий лазер перетворює скло на накопичувач даних
Ще одна захоплююча нова область лазерного маркування – зберігання даних. Дослідники стверджують, що вони можуть створювати ефективні системи зберігання даних, використовуючи надшвидкісні лазери для кодування даних у скло/кристалічні носії. Дані зберігаються у склі/кристалі у формі мікроабляції, і після створення їх можна буде зберігати неймовірну кількість часу.
У 2013 роціКомпанія Hitachiанонсувала свою першу систему зберігання даних із кристалів кварцу, а в 2014 році дослідники з Дослідницького центру оптоелектроніки Університету Саутгемптона (ORC) оголосили про розробку фемтосекундної системи скла з лазерним травленням. ORC розпочав співпрацю з Microsoft Research над «Project Silica» ORC розпочав співпрацю з Microsoft Research над «Project Silica», який обіцяє розробити системи зберігання даних масштабу zb і «фундаментально переглянути способи створення систем масового зберігання даних».
Однак писати на склі непросте завдання, і стандартні імпульсні ультрафіолетові або СО2 лазерні системи можуть утворювати мікротріщини - надмірне нагрівання поверхні матеріалу може призвести до пошкодження в гарячих точках. Хоча цього можна обійти, зменшивши енергію імпульсу, це не ідеально, коли потрібна висока точність. Ось чому дослідники звертаються до надшвидких (фемтосекундних) лазерних систем, щоб мінімізувати ризик термічного пошкодження. Ультракоротка тривалість високоенергетичного імпульсу забезпечує достатню енергію, доставлену до матеріалу для маркування з надзвичайною точністю, створюючи лише мінімальні зони теплового впливу та уникаючи мікротріщин.
Поточним обмеженням цієї технології є надзвичайно низька швидкість запису даних, а запис даних у масштабі Tb може тривати роки. На щастя, поточні відкриття пропонують шляхи збільшення швидкості запису даних. Минулого року дослідники ORC опублікували в журналі Optica енергоефективний метод лазерного запису: цей метод не тільки швидкий, але й може зберігати близько 500 Тб даних на силікатних дисках розміром із компакт-диск — їх 10,000 разів щільніше, ніж технологія зберігання Blu-ray Disc.
Новий метод дослідників використовує волоконний лазер 515 нм із частотою повторення 10 МГц і тривалістю імпульсу 250 фс для створення крихітних ямок у кремнеземному склі, які містять окремі наноламінарні структури розміром лише 500 × 50 нм. Ці наноструктури високої щільності можна використовувати для довгострокового зберігання оптичних даних. Дослідники досягли швидкості запису 1,000,000 вокселів на секунду, що еквівалентно запису близько 225 КБ даних (понад 100 сторінок тексту) на секунду.
Новий метод використовувався для запису 5 ГБ текстових даних на диск із силіконового скла розміром із звичайний компакт-диск із майже 100% точністю читання. Кожен воксель містить чотири біти інформації, причому кожні два вокселя відповідають одному текстовому символу. Використовуючи щільність запису, що забезпечується цим методом, диск зможе вмістити 500 Тб даних. За словами дослідників, оновивши систему для паралельного запису, можна буде записати стільки даних приблизно за 60 днів.
