Od poloviny-1960 let se lasery používají ke značení, leptání a řezání. První laserový označovací stroj na světě byl vyvinut v roce 1965 pro budoucí vrtání otvorů do forem na výrobu diamantů a technologie následně nabrala rychlý rozmach.
Předčasné zavedeníCO2 lasery pro značenídošlo v roce 1967 a technologie dosáhla zralosti v polovině{1}} díky komercializaci moderních CO2 laserových systémů. Od té doby se systémy laserového značení staly základem v celé řadě průmyslových odvětví od letectví po výrobu zdravotnických prostředků, farmaceutický průmysl a maloobchod.
Navzdory konkurenci s jinými technologiemi, jako je inkoustový tisk, byly lasery označeny jako výkonná, nízkonákladová a opakovatelná technologie pro vytváření značek. Důležité je, že tento proces je šetrný k životnímu prostředí a nevyžaduje žádný spotřební materiál (jako je inkoust, kazety a papír). Nyní se systémy laserového značení již nespoléhají pouze na CO2 lasery; jiné, jako jsou vláknové lasery a polovodičové světelné zdroje Nd:YAG, nabízejí menší rozměry, nižší náklady na údržbu a účinné alternativy; a pokrok v technologických možnostech je evidentní. Nejrychlejší komerční laserové značkovací stroje nyní dokážou zpracovat desítky tisíc dílů za hodinu.
Zatímco vývoj technologie laserového značení byl rychlý, výrobci a uživatelé systémů laserového značení nyní hledají nové cesty, jak posunout hranice technologie značení, aby čelili novým výzvám a zlepšili výsledky zpracování.
Laserové značení keramických obvodů
Tyto výzvy pocházejí z nových materiálů, které mají být zpracovány, a nových aplikací, které je třeba obsluhovat – z nichž každá pohání potřebu růstu a inovací a zároveň utváří trh pro vývoj laserových systémů.
Například,keramikajsou jedním z nejrychleji rostoucích materiálů v laserovém zpracování a tento materiál je zvláště důležitý při výrobě polovodičových dílů a desek plošných spojů. Desky s plošnými spoji (PCB), často označované jako „matka všech produktů elektronických systémů“, jsou součástkou používanou prakticky ve všech elektronických produktech a malé změny ve vývoji PCB mají významný dopad na trendy na trhu.
V posledních letech se pozornost přesunula na použití keramiky v konvenčních deskách s plošnými spoji (PCB), které jsou vyrobeny z plastových epoxidových pryskyřic, jako je FP4. Keramické obvodové desky nabízejí vynikající tepelnou zpracovatelnost, snadno se implementují a poskytují vynikající výkon ve srovnání s nekeramickými PCB. Mnoho technik značení, jako je sítotisk, však není pro keramiku vhodné. Značení keramiky inkoustem je těžkopádné, vyžaduje několik spotřebních materiálů a není odolné proti oděru. Křehkost a tvrdost keramiky z ní také činí jeden z obtížněji znatelných materiálů.
Výsledkem je, že lasery se v posledních letech dostaly do popředí zájmu jako alternativa k technologii inkoustového tisku a mnoho laserových společností vyvinulo systémy zvláště vhodné pro keramické značení, jako jsou diodově čerpané pevné UV lasery a také konvenční CO2. lasery.
"To zahrnuje trend k miniaturizaci," říká Andrew May, ředitel společnosti pro laserové značení. Zdůrazňuje však, že zavádění nových tržních trendů také vyžaduje čas: "Existuje každý týden nová aplikace? Ne. Ale před 15 lety jsme na miniaturní keramiku nikdy neznačkovali, a nyní ano."
Flexibilnější materiály, tvary a velikosti
Navzdory rychlému růstu však keramické značení v elektronice není v současnosti největším trhem společnosti pro laserové značení. "Největším průmyslem jsou pro nás lékařská zařízení," říká Andrew May, "poté automobilové, elektronické a všeobecné strojírenské komponenty. Rozsah požadovaných produktů se velmi liší v závislosti na odvětví a daném odvětví."
Společnost má osm laserových systémů (z nichž pět je poháněno Galv) poskytující služby značení pro širokou škálu aplikací. Kvůli tomu a protože společnost stále získává nové zákazníky s požadavky na míru - May zdůrazňuje, že schopnost být flexibilní je životně důležitá. V důsledku toho používá lasery vhodné pro značení různých materiálů, tvarů a velikostí a také různých velikostí dávek. Sortiment značkovačů, které může nabídnout, je také tak rozmanitý jako jeho zákaznická základna, s jeho lasery schopnými produkovat vše od kódů po grafiku a datové matice – to vše při vysokých rychlostech a s vysokou reprodukovatelností.
Vyhovět této flexibilitě je proto nutností pro výrobce laserových značkovacích strojů, jako jsou napřBluhm Systeme.
Poptávka po sledovatelnosti komponent roste
Dalším významným trendem v oblasti laserového značení je zajištění a zpřesnění sledovatelnosti – individuální identifikace produktu pomocí jedinečného identifikačního znaku na jeho povrchu. Toto značení může mít mnoho podob, ale stále oblíbenější a důležitější je použití datových matic, jako jsou dvourozměrné kódy (QR kódy).
Označením jednotlivého produktu vlastním jedinečným kódem datové matice jej lze snadno identifikovat nerušivým způsobem s klíčovými detaily, jako je výrobce, číslo šarže a životnost. To poskytuje záruku kvality: spotřebitelé a uživatelé mohou určit přesný původ produktu. Toto zajištění kvality vytváří přímé spojení mezi spotřebitelem a výrobcem a dává produktu přidanou hodnotu, což mu umožňuje konkurovat levnější výrobě. Díky své neuvěřitelné přesnosti se laser ideálně hodí pro psaní podrobných kódů o velikosti až 200 μm – příliš malý na to, aby ho mohl vidět někdo kolemjdoucí, ale lze jej snadno zkontrolovat pomocí chytrého telefonu, zda osoba zná jejich polohu. V takových velikostech lze datové matice použít pro účely ochrany proti padělání, což usnadňuje kontrolu pravosti vysoce kvalitního zboží nerušivým způsobem. To má obrovský dopad na farmaceutický průmysl, protože je to způsob, jak zajistit, aby léky, jako jsou pilulky, nebyly vyráběny a distribuovány podvodně.
Sledovatelnost komponent hraje také důležitou roli při použití jako důkaz v soudním sporu. Pokud například někdo podstoupí lékařskou transplantaci a transplantace selže, sledovatelnost mu umožňuje přesně vědět, co se pokazilo, kde se pokazilo a ve které šarži se pokazilo. To jistě zvyšuje efektivitu ve věcech, jako je stažení produktu, ale také to dává zákazníkovi větší autonomii. Nemusí to být zřejmé, ale jak se společnost začne více zajímat o soudní spory, technologie, která může zlepšit soudní verdikty, bude muset držet krok.
Sledovatelnost také přispívá k dalšímu trendu napříč výrobou: zlepšování udržitelnosti životního prostředí a snižování ekologického dopadu. Sledováním produktu, abyste věděli, kdy selže, nebo kdy dosáhnou konce svého životního cyklu, jsou výrobci lépe schopni proaktivně vyměnit a recyklovat. To také znamená, že výrobky mohou být vráceny k renovaci, jak bylo zamýšleno, takže méně zařízení může skončit na skládkách.
Současné systémy označování datovou matricí však čelí mnoha výzvám. Některé materiály znesnadňují manipulaci – zejména sklo a polymery, stejně jako tenké kovy a fólie. Značení musí být také trvalé a stabilní a systém musí být schopen pojmout širokou škálu velikostí produktů.
Zvláštní výzvou pro některé laserové značkovací stroje je značení na nerovinných površích. Inkoustové tiskárny v této oblasti stále převyšují laserové systémy. V důsledku toho systémoví inženýři pracují na překonání těchto výzev. Někteří výrobci laserových značkovacích systémů například nabízejí CO2 a vláknové lasery s průměrným výkonem 20-500 W a různou dobou cyklu, vybavené zaostřovací optikou s automatickým nastavením pro použití na 3D površích, které lze upravit podle zakřivení objekt. Aby bylo možné zohlednit povrchy s neznámou geometrií, systémy používají systém vidění s automatickým ostřením, který nejprve naskenuje 3D povrch a poté upraví laserové zaostření během procesu značení.
Nerovné povrchy však nejsou jediným problémem, kterému výrobci laserových značkovacích systémů čelí. Dr. Florent Thibaut, generální ředitel výrobce řešení pro laserové značení, vysvětluje: „V mnoha případech řešení značení, která jsou standardizována globálně, jako je inkoustová tiskárna, nejsou schopna splnit požadavky potřebné k poskytnutí specifické značky pro každý produkt. , obvyklé použití laserů je již k dispozici jako kontinuální metoda, stejně jako použití pera. To však není dostatečně rychlé - musíme najít řešení, které vyrovná objem výroby a přesnost."
Sekvenční značení je ovlivněno, protože laserové značení se musí u každého produktu změnit, takže mít technologii značení, kterou lze přizpůsobit každému produktu, je zásadní. Výrobci požadují extrémně vysokou průchodnost – značení se musí přizpůsobit a rychlost značení musí být vysoká – a to ani nebere v úvahu obtíže při zpracování některých materiálů, jako je sklo nebo polymery.
K vyřešení tohoto problému si výrobce řešení pro laserové značení nechal patentovat svou technologii VULQ1, která získala ocenění Laser Systems Innovation Award na letošním Laser World Photonics Industrial Production Engineering, která se nerozhodla pro použití jednoho spojitého paprsku světla (jako např. pouzdro s konvenčními systémy značení). Místo toho používá stovky světelných paprsků k vytvoření efektu podobného razítku – vytváří celý kód datové matice v okamžiku. Metodou používanou k výrobě tohoto jedinečného razítka je dynamické tvarování paprsku, které se provádí pomocí komponent, jako je modulátor prostorového světla (SLM), který lze upravit na základě jednotlivých záběrů a vytvořit paprsky s jedinečnou strukturou.
Zatímco jiné technologie laserového značení mohou upřednostňovat vysoké opakovací frekvence pro vysokou propustnost, tato technologie využívá vyšší energii pulzu a paralelní zpracování pro lepší výsledky.
Thibaut říká: "Toto schéma značení podobné razítkům odemyká obrovský potenciál produktivity pro značení 2D čárovými kódy a snadno se implementuje."
Jeho technologii lze například použít k označení lékařských dílů z PVC pomocí 570-μm širokého kódu datové matice rychlostí 77,000 za hodinu. Mezi další materiály, které může systém označit, patří hliník potažený polymerem HDPE; sodnovápenaté sklo; borosilikátové sklo, čisté zlato a epoxidový lisovaný kompozit.
Thibault dodává: "Velikosti vzoru mohou být malé až 100 μm při zachování dokonale čisté čitelnosti, a to i při značení v přímce, protože všechny body jsou vyznačeny současně." A co víc, protože se tato technologie nemusí spoléhat na vysoké opakovací frekvence, může vytvářet systémy využívající běžně dostupné infračervené a zelené lasery Nd:YAG s opakovacími frekvencemi kolem 20-30Hz, což zajišťuje, že její systémy zůstat co nejefektivnější z hlediska nákladů.
Ultrarychlý laser promění sklo v úložiště dat
Další vzrušující novou oblastí laserového značení je ukládání dat. Výzkumníci tvrdí, že mohou vyrábět efektivní systémy pro ukládání dat pomocí ultrarychlých laserů ke kódování dat do skla/krystalu. Data jsou uložena ve skle/krystalu ve formě mikroablace a jakmile budou vyrobena, budou moci být uchována po úžasně dlouhou dobu.
V roce 2013,Hitachioznámila svůj první systém pro ukládání dat z křemenných krystalů a v roce 2014 oznámili výzkumníci z Optoelectronics Research Center (ORC) University of Southampton svůj vývoj femtosekundového laserem leptaného skleněného systému. ORC začala spolupracovat s Microsoft Research na „Project Silica“ ORC začala spolupracovat s Microsoft Research na „Project Silica“, která slibuje vývoj úložných systémů ve velikosti Zb a „zásadně přehodnotí, jak budovat systémy velkokapacitních paměťových zařízení.
Psaní na sklo však není snadný úkol a standardní pulzní UV nebo CO2 laserové systémy mohou vytvářet mikrotrhliny - nadměrné zahřívání povrchu materiálu může vést k poškození na tepelných horkých místech. I když to lze obejít snížením energie pulzu, není to ideální, když je vyžadována vysoká přesnost. To je důvod, proč se výzkumníci obracejí na ultrarychlé (femtosekundové) laserové systémy, aby minimalizovali riziko tepelného poškození. Ultra krátká doba trvání vysokoenergetického pulsu zajišťuje, že do materiálu je dodáno dostatečné množství energie pro jeho označení s extrémní přesností, vytváří jen minimální tepelně ovlivněné zóny a zabraňuje mikrotrhlinám.
Současným omezením této technologie je extrémně nízká rychlost zápisu dat a zápis dat v měřítku Tb může trvat roky. Naštěstí pokračující průlomy navrhují způsoby, jak zvýšit rychlost zápisu dat. Minulý rok výzkumníci z ORC publikovali v časopise Optica energeticky účinnou laserovou metodu zápisu: tato metoda je nejen rychlá, ale dokáže uložit asi 500 TB dat na křemenných discích o velikosti CD – je jich 10,000 krát hustší než technologie ukládání disků Blu-ray.
Nová metoda vědců využívá vláknový laser o vlnové délce 515 nm s opakovací frekvencí 10 MHz a délkou pulzu 250 fs k vytvoření drobných důlků v křemičitém skle, které obsahují jednotlivé nanolaminární struktury o rozměrech pouze 500 × 50 nm. Tyto nanostruktury s vysokou hustotou mohou být použity pro dlouhodobé ukládání optických dat. Výzkumníci dosáhli rychlosti zápisu 1,000,{9}} voxelů za sekundu, což odpovídá zaznamenání přibližně 225 kB dat (více než 100 stránek textu) za sekundu.
Nová metoda byla použita k zápisu 5 GB textových dat na disk z křemíkového skla o velikosti běžného CD-ROM s téměř 100% přesností čtení. Každý voxel obsahuje čtyři bity informací, přičemž každé dva voxely odpovídají jednomu textovému znaku. Při použití hustoty zápisu poskytované metodou bude disk schopen pojmout 500 Tb dat. Po upgradu systému pro paralelní zápis by mělo být možné zapsat takové množství dat přibližně za 60 dní, uvedli vědci.
