От средата-1960 на ХХ век лазерите се използват за маркиране, ецване и рязане. Първата в света машина за лазерно маркиране е разработена през 1965 г. за бъдещо пробиване на отвори в матрици за производство на диаманти и впоследствие технологията набира бърза скорост.
Ранното въвеждане наCO2 лазери за маркиранесе случи през 1967 г. и технологията достигна зрялост в средата-1970 на миналия век чрез комерсиализацията на модерни CO2 лазерни системи. Оттогава системите за лазерно маркиране се превърнаха в опора в широк спектър от индустрии от аерокосмическата индустрия до производството на медицински устройства, фармацевтичните продукти и търговията на дребно.
Въпреки че се конкурират с други технологии като мастилено-струйния печат, лазерите са маркирани като мощна, евтина и повторяема технология за маркиране. Важното е, че процесът е екологичен и не изисква консумативи (като мастило, касети и хартия). Сега системите за лазерно маркиране вече не разчитат единствено на CO2 лазери; други, като влакнести лазери и Nd: YAG твърдотелни източници на светлина, предлагат по-малки отпечатъци, по-ниски разходи за поддръжка и ефективни алтернативи; и напредъкът в технологичните възможности е очевиден. Най-бързите търговски машини за лазерно маркиране вече могат да обработват десетки хиляди части на час.
Въпреки че еволюцията на технологията за лазерно маркиране е бърза, производителите и потребителите на системи за лазерно маркиране сега търсят нови пътища за разширяване на границите на технологията за маркиране, за да отговорят на новите предизвикателства и да подобрят резултатите от обработката.
Лазерно маркиране на керамични вериги
Тези предизвикателства идват от нови материали, които трябва да бъдат обработени, и нови приложения, които трябва да бъдат обслужвани - всяко от тях води до необходимостта от растеж и иновации, като същевременно оформя пазара за разработка на лазерни системи.
Например,керамикаса един от най-бързо развиващите се материали в лазерната обработка и този материал е особено важен при производството на полупроводникови части и печатни платки. Често наричани „майката на всички електронни системни продукти“, печатните платки (PCB) са компонент, използван в почти всички електронни продукти, и малки промени в развитието на PCB оказват значително влияние върху пазарните тенденции.
През последните години фокусът се измести към използването на керамика в конвенционалните печатни платки (PCB), които са направени от пластмасови епоксидни смоли като FP4. Керамичните платки предлагат отлична топлинна обработка, лесни са за изпълнение и осигуряват превъзходна производителност в сравнение с некерамичните печатни платки. Въпреки това, много техники за маркиране - като обработка на сито, не са подходящи за керамика. Маркирането с мастило на керамика е тромаво, изисква няколко консуматива и не е устойчиво на абразия. Чупливостта и твърдостта на керамиката също я правят един от най-трудните материали за маркиране.
В резултат на това лазерите се издигнаха до известност през последните години като алтернатива на технологията за печат с мастило и много лазерни компании разработиха системи, особено подходящи за керамични маркировки, като твърдотелни UV лазери с диодна помпа, както и конвенционален CO2 лазери.
„Това включва тенденция към миниатюризация“, казва Андрю Мей, директор на компания за лазерно маркиране. Той обаче подчертава, че въвеждането на нови пазарни тенденции също отнема време: „Има ли ново приложение всяка седмица? Не. Но преди 15 години никога не маркирахме върху миниатюрна керамика, а сега го правим.“
По-гъвкави материали, форми и размери
Въпреки бързия си растеж обаче керамичното маркиране в електрониката в момента не е най-големият пазар на компанията за лазерно маркиране. „Най-голямата индустрия за нас са медицинските устройства“, казва Андрю Мей, „след това автомобилната, електрониката и общите инженерни компоненти. Гамата от необходими продукти варира значително в зависимост от индустрията и въпросната индустрия.“
Компанията разполага с осем лазерни системи (пет от които са задвижвани от Galv), предоставящи услуги за маркиране за голямо разнообразие от приложения. Поради това и тъй като компанията винаги привлича нови клиенти с индивидуални изисквания - Мей подчертава, че способността да бъдеш гъвкав е жизненоважна. В резултат на това той използва лазери, подходящи за маркиране на различни материали, форми и размери, както и различни размери на партиди. Гамата от маркери, които може да предложи, също е толкова разнообразна, колкото и клиентската база, с лазерите, способни да произвеждат всичко - от кодове до графики и матрици на данни - всичко това с високи скорости и висока възпроизводимост.
Следователно грижата за тази гъвкавост е необходимост за производителите на машини за лазерно маркиране, като напрBluhm Systeme.
Търсенето на проследимост на компонентите нараства
Друга важна тенденция в областта на лазерното маркиране е осигуряването и усъвършенстването на проследимостта - индивидуалната идентификация на продукта чрез уникален идентификационен знак върху повърхността му. Това маркиране може да приеме много форми, но все по-популярно и важно е използването на матрици с данни като двуизмерни кодове (QR кодове).
Чрез маркиране на отделен продукт със собствен уникален код на матрицата с данни, той може лесно да бъде идентифициран по ненатрапчив начин с ключови подробности като производител, номер на партида и живот. Това осигурява гаранция за качество: потребителите и потребителите могат да определят точния произход на продукта. Това осигуряване на качеството създава пряка връзка между потребителя и производителя и придава добавена стойност на продукта, като им позволява да се конкурират с по-евтино производство. Благодарение на невероятната си прецизност, лазерът е идеално подходящ за писане на подробни кодове с размер от 200 μm - твърде малък, за да бъде видян от някой, който минава, но лесно се проверява със смартфон, ако човек знае местоположението си. При такива размери матриците с данни могат да се използват за целите на борбата с фалшифицирането, което улеснява проверката на автентичността на висококачествени стоки по ненатрапчив начин. Това има огромно въздействие върху фармацевтичната индустрия, тъй като е начин да се гарантира, че лекарства като хапчета не се произвеждат и разпространяват измамно.
Проследимостта на компонентите също играе важна роля, когато се използва като доказателство в съдебни спорове. Например, ако някой има медицинска трансплантация и трансплантацията е неуспешна, проследимостта му позволява да знае точно какво се е объркало, къде се е объркало и в коя партида се е объркало. Това със сигурност повишава ефективността при неща като изтегляне на продукти, но също така дава на клиента повече автономия. Може да не е очевидно, но тъй като обществото става все по-заинтересовано от съдебните спорове, технологията, която може да подобри съдебните присъди, ще трябва да се поддържа.
Проследимостта също така допринася за друга тенденция в производството: подобряване на екологичната устойчивост и намаляване на въздействието върху околната среда. Като проследяват даден продукт, за да знаят кога той се повреди или знаейки кога достига края на жизнения си цикъл, производителите са по-способни проактивно да заменят и рециклират. Това също означава, че продуктите могат да бъдат върнати за обновяване по предназначение, така че по-малко оборудване може да се окаже на сметищата.
Въпреки това, настоящите системи за етикетиране на матрици на данни са изправени пред много предизвикателства. Някои материали затрудняват манипулирането - особено стъкло и полимери, както и тънки метали и фолиа. Маркировката също трябва да бъде постоянна и стабилна и системата трябва да може да поеме широка гама от размери на продукта.
Особено предизвикателство за някои машини за лазерно маркиране е маркирането върху неравнинни повърхности. Мастиленоструйните принтери все още превъзхождат лазерно базираните системи в тази област. В резултат на това системните инженери работят за преодоляване на тези предизвикателства. Например, някои производители на системи за лазерно маркиране предлагат CO2 и лазери с влакна със средна мощност от 20-500 W и различни времена на цикъла, оборудвани с автоматично регулираща се фокусираща оптика за използване върху 3D повърхности, която може да се регулира спрямо кривината на предметът. За да отчетат повърхности с неизвестна геометрия, системите използват система за автоматично фокусиране, която първо сканира 3D повърхността и след това настройва лазерния фокус по време на процеса на маркиране.
Въпреки това, неравните повърхности не са единственото предизвикателство пред производителите на системи за лазерно маркиране. Д-р Флоран Тибо, главен изпълнителен директор на производител на решения за лазерно маркиране, обяснява: „В много случаи решенията за маркиране, които са стандартизирани в световен мащаб, като например мастиленоструйни, не са в състояние да отговорят на изискванията, необходими за осигуряване на специфичен знак за всеки продукт. , обичайното използване на лазери вече е налично като непрекъснат метод, точно като използването на писалка. Това обаче не е достатъчно бързо – трябва да намерим решение, което балансира производствения обем и точността.“
Последователното маркиране е засегнато, тъй като лазерното маркиране трябва да се променя за всеки продукт, така че наличието на технология за маркиране, която може да се адаптира към всеки продукт, е от решаващо значение. Производителите изискват изключително висока производителност - маркировката трябва да се адаптира и степента на маркиране трябва да е висока - и това дори не взема предвид трудностите при обработката на определени материали като стъкло или полимери.
За да реши този проблем, производител на решения за лазерно маркиране е патентовал своята технология VULQ1, която спечели наградата за иновации на лазерни системи на тазгодишното изложение Laser World Photonics Industrial Production Engineering, която не избира използването на един непрекъснат лъч светлина (както е случай с конвенционални системи за маркиране). Вместо това, той използва стотици светлинни лъчи, за да произведе ефект, подобен на щампа - произвеждайки цял код на матрицата с данни за миг. Методът, използван за производството на този уникален печат, е динамично оформяне на лъча, което се постига с помощта на компоненти като пространствения светлинен модулатор (SLM), който може да се регулира на базата на изстрел, за да създаде лъчи с уникална структура.
Докато други технологии за лазерно маркиране могат да дадат приоритет на високите честоти на повторение за висока производителност, тази технология използва по-висока импулсна енергия и паралелна обработка за по-добри резултати.
Thibaut казва: „Тази схема за маркиране, подобна на печат, отключва огромен потенциал за производителност за маркиране с 2D баркод и е лесна за изпълнение.“
Например неговата технология може да се използва за маркиране на PVC медицински части с 570-μm широк матричен код на данни със скорост от 77,000 на час. Други материали, които системата може да маркира, включват алуминий, покрит с HDPE полимер; варово-натриево стъкло; боросиликатно стъкло, чисто злато и епоксиден формован композит.
Thibault добавя: "Размерите на шаблоните могат да бъдат толкова малки, колкото 100 μm, като същевременно поддържат идеално ясна четливост, дори когато маркирате в права линия, тъй като всички точки се маркират едновременно." Нещо повече, тъй като не трябва да разчита на високи честоти на повторение, технологията може да изгради системи, използващи готови инфрачервени и зелени Nd: YAG лазери с честоти на повторение около 20-30Hz, като гарантира, че нейните системи остават възможно най-рентабилни.
Свръхбързият лазер превръща стъклото в хранилище за данни
Друга вълнуваща нова област на лазерното маркиране е съхранението на данни. Изследователите твърдят, че могат да създадат ефективни системи за съхранение на данни, като използват свръхбързи лазери за кодиране на данни в стъклени/кристални носители. Данните се съхраняват в стъкло/кристал под формата на микро аблация и веднъж произведени, ще могат да бъдат запазени за невероятно време.
През 2013,Хитачиобяви първата си система за съхранение на данни от кварцови кристали, а през 2014 г. изследователи от Изследователския център за оптоелектроника (ORC) на университета в Саутхемптън обявиха разработването на фемтосекундна лазерно гравирана стъклена система. ORC започна да си сътрудничи с Microsoft Research по „Project Silica“ ORC започна да работи с Microsoft Research по „Project Silica“, който обещава да разработи zb-мащабни системи за съхранение и „фундаментално преосмисляне на това как да се изграждат системи за масово съхранение.
Писането върху стъкло обаче не е лесна задача и стандартните импулсни UV или CO2 лазерни системи могат да създадат микропукнатини - прекомерното нагряване на повърхността на материала може да доведе до повреда в топлинните горещи точки. Въпреки че това може да бъде заобиколено чрез намаляване на импулсната енергия, това не е идеално, когато се изисква висока точност. Ето защо изследователите се обръщат към ултрабързи (фемтосекундни) лазерни системи, за да сведат до минимум риска от термично увреждане. Ултра кратката продължителност на високоенергийния импулс гарантира, че достатъчно енергия се доставя на материала, за да го маркира с изключителна прецизност, създавайки само минимални зони, засегнати от топлината и избягвайки микропукнатини.
Настоящото ограничение на тази технология е изключително ниската скорост на запис на данни, а записването на данни в Tb мащаб може да отнеме години, за да завърши. За щастие, текущите открития предлагат начини за увеличаване на скоростта на запис на данни. Миналата година изследователи на ORC публикуваха енергийно ефективен лазерен метод за писане в списанието Optica: не само, че този метод е бърз, но може да съхранява около 500 Tb данни върху силициеви дискове с размер на CD - те са 10, 000 пъти по-плътен от технологията за съхранение на Blu-ray Disc.
Новият метод на изследователите използва 515 nm влакнест лазер с честота на повторение 10 MHz и продължителност на импулса 250 fs, за да създаде малки ями в силициевото стъкло, които съдържат отделни наноламинарни структури с размери само 500 × 50 nm. Тези наноструктури с висока плътност могат да се използват за дългосрочно съхранение на оптични данни. Изследователите постигнаха скорост на запис от 1,000,000 воксела в секунда, което е еквивалентно на запис на около 225 KB данни (повече от 100 страници текст) в секунда.
Новият метод беше използван за запис на 5 GB текстови данни върху диск от силициево стъкло с размер на конвенционален CD-ROM с почти 100% точност на четене. Всеки воксел съдържа четири бита информация, като всеки два воксела съответстват на един текстов знак. Използвайки плътността на запис, осигурена от метода, дискът ще може да побере 500 Tb данни. Чрез надграждане на системата за паралелно писане би трябвало да е възможно да се запишат толкова много данни за около 60 дни, казаха изследователите.
