Od połowy{0} XX wieku do znakowania, trawienia i cięcia używano laserów. Pierwsza na świecie maszyna do znakowania laserowego została opracowana w 1965 roku w celu przyszłego wiercenia otworów w formach do produkcji diamentów, a następnie technologia nabrała szybkiego tempa.
Wczesne wprowadzenieLasery CO2 do znakowaniamiało miejsce w 1967 r., a dojrzałość technologii-1970 osiągnęła komercjalizacja nowoczesnych systemów lasera CO2. Od tego czasu systemy znakowania laserowego stały się podstawą w wielu gałęziach przemysłu, od przemysłu lotniczego i kosmicznego po produkcję urządzeń medycznych, farmaceutykę i handel detaliczny.
Pomimo konkurowania z innymi technologiami, takimi jak druk atramentowy, lasery są uznane za potężną, tanią i powtarzalną technologię znakowania. Co ważne, proces jest przyjazny dla środowiska i nie wymaga żadnych materiałów eksploatacyjnych (takich jak tusz, wkłady i papier). Obecnie systemy znakowania laserowego nie opierają się już wyłącznie na laserach CO2; inne, takie jak lasery światłowodowe i półprzewodnikowe źródła światła Nd:YAG, oferują mniejsze rozmiary, niższe koszty konserwacji i wydajne alternatywy; i postęp w możliwościach technologicznych są oczywiste. Najszybsze komercyjne maszyny do znakowania laserowego mogą obecnie przetwarzać dziesiątki tysięcy części na godzinę.
Chociaż ewolucja technologii znakowania laserowego jest szybka, producenci i użytkownicy systemów znakowania laserowego szukają obecnie nowych sposobów przesuwania granic technologii znakowania, aby sprostać nowym wyzwaniom i poprawić wyniki przetwarzania.
Znakowanie laserowe obwodów ceramicznych
Wyzwania te wynikają z przetwarzania nowych materiałów i nowych zastosowań – każde z nich napędza potrzebę wzrostu i innowacji, jednocześnie kształtując rynek rozwoju systemów laserowych.
Na przykład,ceramikasą jednymi z najszybciej rozwijających się materiałów w obróbce laserowej, a materiał ten jest szczególnie ważny w produkcji części półprzewodnikowych i płytek drukowanych. Często nazywane „matką wszystkich produktów systemów elektronicznych”, płytki obwodów drukowanych (PCB) są komponentem stosowanym w praktycznie wszystkich produktach elektronicznych, a niewielkie zmiany w rozwoju płytek PCB mają znaczący wpływ na trendy rynkowe.
W ostatnich latach uwaga skupiła się na zastosowaniu ceramiki w konwencjonalnych płytkach drukowanych (PCB), które są wykonane z plastikowych żywic epoksydowych, takich jak FP4. Ceramiczne płytki drukowane zapewniają doskonałą obróbkę cieplną, są łatwe w zastosowaniu i zapewniają doskonałą wydajność w porównaniu z nieceramicznymi płytkami PCB. Jednak wiele technik znakowania, takich jak obróbka metodą sitodruku, nie nadaje się do ceramiki. Znakowanie tuszem ceramiki jest uciążliwe, wymaga kilku materiałów eksploatacyjnych i nie jest odporne na ścieranie. Kruchość i twardość ceramiki sprawia, że jest ona jednym z trudniejszych materiałów do znakowania.
W rezultacie w ostatnich latach lasery zyskały na znaczeniu jako alternatywa dla technologii druku atramentowego, a wiele firm zajmujących się laserami opracowało systemy szczególnie dostosowane do oznaczeń ceramicznych, takie jak lasery UV na ciele stałym pompowane diodą, a także konwencjonalne CO2 lasery.
„Obejmuje to trend w kierunku miniaturyzacji” – mówi Andrew May, dyrektor firmy zajmującej się znakowaniem laserowym. Podkreśla jednak, że wprowadzanie nowych trendów rynkowych też wymaga czasu: „Czy co tydzień jest jakieś nowe zastosowanie? Nie. Ale 15 lat temu nigdy nie robiliśmy znaków na miniaturowej ceramice, a teraz to robimy”.
Bardziej elastyczne materiały, kształty i rozmiary
Jednak pomimo szybkiego rozwoju, znakowanie ceramiki w elektronice nie jest obecnie największym rynkiem dla firmy zajmującej się znakowaniem laserowym. „Największą branżą dla nas są urządzenia medyczne” – mówi Andrew May – „potem motoryzacja, elektronika i komponenty inżynierii ogólnej. Asortyment wymaganych produktów różni się znacznie w zależności od branży i danej branży”.
Firma posiada osiem systemów laserowych (z których pięć jest napędzanych galv) świadczących usługi znakowania dla szerokiej gamy zastosowań. Z tego powodu oraz dlatego, że firma stale pozyskuje nowych klientów o niestandardowych wymaganiach – May podkreśla, że kluczowa jest umiejętność elastyczności. Dzięki temu wykorzystuje lasery odpowiednie do znakowania różnych materiałów, kształtów i rozmiarów, a także różnej wielkości partii. Gama znakowarek, które może zaoferować, jest również tak różnorodna, jak baza klientów, a lasery są w stanie wyprodukować wszystko, od kodów po grafikę i matryce danych – a wszystko to z dużą szybkością i wysoką powtarzalnością.
Zapewnienie tej elastyczności jest zatem koniecznością dla producentów maszyn do znakowania laserowego, takich jakSystem Bluhma.
Rośnie zapotrzebowanie na identyfikowalność komponentów
Kolejnym ważnym trendem w dziedzinie znakowania laserowego jest zapewnienie i udoskonalenie identyfikowalności – indywidualnej identyfikacji produktu za pomocą unikalnego znaku identyfikacyjnego na jego powierzchni. Oznaczenie to może przybierać różne formy, jednak coraz popularniejsze i ważniejsze jest wykorzystanie matryc danych, takich jak kody dwuwymiarowe (kody QR).
Oznaczając indywidualny produkt własnym, unikalnym kodem data matrix, można go łatwo, w nieinwazyjny sposób, zidentyfikować dzięki kluczowym szczegółom, takim jak producent, numer partii i czas życia. Zapewnia to gwarancję jakości: konsumenci i użytkownicy mogą dokładnie określić pochodzenie produktu. To zapewnienie jakości tworzy bezpośrednie połączenie między konsumentem a producentem i nadaje produktowi wartość dodaną, umożliwiając im konkurowanie z tańszą produkcją. Dzięki swojej niesamowitej precyzji laser idealnie nadaje się do zapisywania szczegółowych kodów o wielkości zaledwie 200 μm – zbyt małych, aby mógł je zobaczyć ktoś przechodzący obok, ale które można łatwo sprawdzić za pomocą smartfona, jeśli ktoś zna swoją lokalizację. Przy takich rozmiarach matryce danych można wykorzystać do celów przeciwdziałania podrabianiu, dzięki czemu można łatwo sprawdzić autentyczność towarów wysokiej jakości w sposób nieinwazyjny. Ma to ogromny wpływ na przemysł farmaceutyczny, ponieważ pozwala zagwarantować, że leki takie jak pigułki nie będą produkowane i dystrybuowane w sposób oszukańczy.
Identyfikowalność komponentów odgrywa również ważną rolę, gdy są wykorzystywane jako dowód w sporach sądowych. Na przykład, jeśli ktoś ma przeszczep medyczny i przeszczep się nie powiedzie, identyfikowalność pozwala mu dokładnie wiedzieć, co poszło nie tak, gdzie poszło nie tak i w której partii się nie udało. Z pewnością zwiększa to efektywność w takich kwestiach, jak wycofanie produktu, ale daje także klientowi większą autonomię. Być może nie jest to oczywiste, ale w miarę jak społeczeństwo będzie coraz bardziej zainteresowane sporami sądowymi, technologia, która może poprawić jakość orzeczeń sądowych, będzie musiała dotrzymać kroku.
Identyfikowalność przyczynia się również do innego trendu w produkcji: poprawy zrównoważenia środowiskowego i zmniejszenia wpływu na środowisko. Śledząc produkt, aby wiedzieć, kiedy ulegnie awarii lub wiedząc, kiedy osiągnie koniec swojego cyklu życia, producenci mogą lepiej proaktywnie wymieniać i poddawać recyklingowi. Oznacza to również, że produkty można zwrócić do renowacji zgodnie z przeznaczeniem, dzięki czemu mniej sprzętu może trafić na wysypiska śmieci.
Jednakże obecne systemy etykietowania opartego na matrycy danych stoją przed wieloma wyzwaniami. Obsługa niektórych materiałów jest trudniejsza – szczególnie szkło i polimery, a także cienkie metale i folie. Oznakowanie musi być również trwałe i stabilne, a system musi być w stanie dostosować się do szerokiego zakresu rozmiarów produktów.
Szczególnym wyzwaniem dla niektórych maszyn do znakowania laserowego jest znakowanie na powierzchniach niepłaskich. W tym obszarze drukarki atramentowe nadal mają przewagę liczebną nad systemami laserowymi. W rezultacie inżynierowie systemowi pracują nad pokonaniem tych wyzwań. Na przykład niektórzy producenci systemów znakowania laserowego oferują lasery CO2 i światłowodowe o średniej mocy 20-500 W i zmiennym czasie cyklu, wyposażone w automatycznie dopasowującą się optykę skupiającą do stosowania na powierzchniach 3D, którą można dostosować do krzywizny obiekt. Aby uwzględnić powierzchnie o nieznanej geometrii, systemy wykorzystują system wizyjny z autofokusem, który najpierw skanuje powierzchnię 3D, a następnie dostosowuje ostrość lasera podczas procesu znakowania.
Jednak niepłaskie powierzchnie to nie jedyne wyzwanie stojące przed producentami systemów znakowania laserowego. Dr Florent Thibaut, dyrektor generalny producenta rozwiązań do znakowania laserowego, wyjaśnia: „W wielu przypadkach rozwiązania do znakowania, które są ujednolicone na całym świecie, takie jak drukarki atramentowe, nie są w stanie spełnić wymagań niezbędnych do zapewnienia konkretnego znaku dla każdego produktu. Obecnie , zwykłe wykorzystanie laserów jest już dostępne w formie metody ciągłej, podobnie jak użycie długopisu. Jednak nie jest to wystarczająco szybkie – musimy znaleźć rozwiązanie, które zrównoważy wielkość produkcji i dokładność.
Ma to wpływ na znakowanie sekwencyjne, ponieważ znakowanie laserowe musi się zmieniać w przypadku każdego produktu, dlatego posiadanie technologii znakowania, którą można dostosować do każdego produktu, ma kluczowe znaczenie. Producenci wymagają wyjątkowo dużej wydajności – znakowanie musi się dostosowywać, a szybkość znakowania musi być wysoka – i to nawet nie uwzględnia trudności związanych z przetwarzaniem niektórych materiałów, takich jak szkło czy polimery.
Aby rozwiązać ten problem, producent rozwiązań do znakowania laserowego opatentował technologię VULQ1, która zdobyła nagrodę Laser Systems Innovation Award na tegorocznej edycji Laser World Photonics Industrial Production Engineering, która nie optuje za zastosowaniem jednej ciągłej wiązki światła (jak ma to miejsce w przypadku w przypadku konwencjonalnych systemów znakowania). Zamiast tego wykorzystuje setki wiązek światła, aby uzyskać efekt przypominający stempel – tworząc w jednej chwili cały kod matrycy danych. Metodą zastosowaną do wytworzenia tego wyjątkowego stempla jest dynamiczne kształtowanie wiązki, które osiąga się przy użyciu komponentów takich jak przestrzenny modulator światła (SLM), który może dostosowywać się w zależności od strzału, tworząc wiązki o unikalnej strukturze.
Podczas gdy inne technologie znakowania laserowego mogą stawiać na wysoką częstotliwość powtarzania w celu uzyskania dużej przepustowości, technologia ta wykorzystuje wyższą energię impulsu i przetwarzanie równoległe w celu uzyskania lepszych wyników.
Thibaut mówi: „Ten schemat znakowania przypominający stempel uwalnia ogromny potencjał produktywności w zakresie znakowania kodów kreskowych 2D i jest prosty do wdrożenia”.
Na przykład technologię tę można wykorzystać do znakowania części medycznych z PCV za pomocą kodu matrycowego o szerokości 570-μm z szybkością 77000 na godzinę. Inne materiały, które system może oznaczać, to aluminium pokryte polimerem HDPE; szkłem sodowo wapiennym; szkło borokrzemianowe, czyste złoto i kompozyt formowany epoksydowo.
Thibault dodaje: „Rozmiary wzorów mogą wynosić zaledwie 100 μm przy zachowaniu doskonałej czytelności, nawet przy znakowaniu w linii prostej, ponieważ wszystkie punkty są zaznaczane jednocześnie”. Co więcej, ponieważ nie musi polegać na wysokich częstotliwościach powtarzania, technologia ta może budować systemy wykorzystujące gotowe do użycia lasery podczerwone i zielone Nd:YAG o częstotliwościach powtarzania około 20-30 Hz, zapewniając, że jej systemy pozostać tak opłacalne, jak to tylko możliwe.
Ultraszybki laser zamienia szkło w nośnik danych
Kolejnym ekscytującym nowym obszarem znakowania laserowego jest przechowywanie danych. Naukowcy twierdzą, że mogą stworzyć wydajne systemy przechowywania danych, wykorzystując ultraszybkie lasery do kodowania danych na nośnikach szklanych/kryształowych. Dane są przechowywane w szkle/krysztale w formie mikroablacji, a raz wytworzone będą mogły zostać zachowane przez niesamowity czas.
W 2013,Hitachiogłosiła wprowadzenie na rynek pierwszego systemu przechowywania danych z kryształu kwarcu, a w 2014 r. naukowcy z Centrum Badań Optoelektroniki (ORC) Uniwersytetu w Southampton ogłosili opracowanie systemu femtosekundowego szkła trawionego laserem. ORC rozpoczęło współpracę z Microsoft Research nad „Projektem Silica” ORC rozpoczęło współpracę z Microsoft Research nad „Projektem Silica”, który obiecuje opracowanie systemów pamięci masowej w skali ZB i „zasadnicze przemyślenie sposobu budowania systemów pamięci masowej.
Pisanie na szkle nie jest jednak łatwym zadaniem, a standardowe, pulsacyjne systemy laserowe UV lub CO2 potrafią stworzyć mikropęknięcia – nadmierne nagrzewanie powierzchni materiału może doprowadzić do uszkodzeń w gorących punktach termicznych. Chociaż można to obejść, zmniejszając energię impulsu, nie jest to idealne rozwiązanie, gdy wymagana jest wysoka precyzja. Właśnie dlatego badacze zwracają się w stronę ultraszybkich (femtosekundowych) systemów laserowych, aby zminimalizować ryzyko uszkodzeń termicznych. Ultrakrótki czas trwania impulsu o wysokiej energii zapewnia dostarczenie do materiału wystarczającej ilości energii, aby oznaczyć go z niezwykłą precyzją, tworząc jedynie minimalne strefy wpływu ciepła i unikając mikropęknięć.
Obecnym ograniczeniem tej technologii jest niezwykle niska prędkość zapisu danych, a zapisanie danych w skali Tb może zająć lata. Na szczęście ciągłe przełomy sugerują sposoby na zwiększenie prędkości zapisu danych. W zeszłym roku badacze ORC opublikowali w czasopiśmie Optica energooszczędną metodę zapisu laserowego: metoda ta jest nie tylko szybka, ale pozwala na przechowywanie około 500 TB danych na dyskach krzemionkowych wielkości CD – jest ich 10,000 razy gęstszy niż technologia przechowywania dysków Blu-ray.
Nowa metoda badaczy wykorzystuje laser światłowodowy o długości fali 515 nm o częstotliwości powtarzania 10 MHz i czasie trwania impulsu 250 fs do tworzenia w szkle krzemionkowym maleńkich wgłębień, które zawierają pojedyncze struktury nanolaminarne o wymiarach zaledwie 500 × 50 nm. Te nanostruktury o dużej gęstości można wykorzystać do długoterminowego optycznego przechowywania danych. Naukowcy osiągnęli prędkość zapisu 1,000,000 wokseli na sekundę, co odpowiada zapisowi około 225 KB danych (ponad 100 stron tekstu) na sekundę.
Za pomocą nowej metody zapisano 5 GB danych tekstowych na dysku ze szkła krzemowego o wielkości konwencjonalnej płyty CD-ROM z niemal 100% dokładnością odczytu. Każdy woksel zawiera cztery bity informacji, przy czym każde dwa woksele odpowiadają jednemu znakowi tekstowemu. Wykorzystując gęstość zapisu zapewnianą przez tę metodę, dysk będzie w stanie pomieścić 500 TB danych. Naukowcy twierdzą, że dzięki modernizacji systemu umożliwiającego zapis równoległy zapisanie tak dużej ilości danych w ciągu około 60 dni powinno być możliwe.
