Какви са забележителните тенденции и иновации в лазерното маркиране за 2023 г.?

От средата-1960 на ХХ век лазерите се използват за правене на маркировки, ецване и рязане. Първата в света машина за лазерно маркиране е разработена през 1965 г., когато това е бъдещето на пробиването на отвори в матрици за производство на диаманти, и впоследствие технологията набира бързо развитие.
Ранното въвеждане на CO2 лазери за маркиране се случи през 1967 г. и технологията достигна зрялост в средата-1970на миналия век чрез комерсиализацията на модерни CO2 лазерни системи. И оттогава системите за лазерно маркиране се превърнаха в опора в широк спектър от индустрии с приложения, вариращи от космическото пространство до производството на медицински устройства, фармацевтичните продукти и търговията на дребно.
Кои са някои забележителни тенденции и иновации за лазерно маркиране за 2023 г.?
Panasonic представя оперативна демонстрация на своята 3D машина за прецизно лазерно маркиране с къси импулси на влакна (кредитно изображение: Panasonic)
Въпреки че се конкурират с други технологии като мастиленоструен печат, лазерите са щамповани като мощна, евтина и повтаряща се технология за производство на маркиране. Важното е, че процесът е екологичен и не изисква консумативи (като мастило, касети и хартия).
В наши дни системите за лазерно маркиране вече не разчитат единствено на CO2 лазери; други, като оптични лазери и Nd:YAG твърдотелни източници на светлина, предлагат по-малки отпечатъци, по-ниски разходи за поддръжка и ефективни алтернативи. Напредъкът в технологичните възможности също 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 усъвършенстване на технологията за маркиране, за да отговорят на новите предизвикателства и да подобрят резултатите от обработката.
Тенденция 1: 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.
Керамиката, например, е един от най-бързо развиващите се материали в лазерната обработка и този материал е особено важен в 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 маркиране на керамика, като диодно-помпени твърдотелни UV лазери, както и конвенционален CO2 лазери.
„Това определено включва тенденция към миниатюризация“, казва Андрю Мей, директор на компанията за лазерно маркиране ES Precision. 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.“
Тенденция 2: По-гъвкави материали, форми и размери
Въпреки бързия растеж обаче, керамичните маркери за електроника в момента не са най-големият пазар на ES Precision. „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 получава нови клиенти с персонализирани нужди - Мей подчертава, че за ES Precision способността да бъдеш гъвкав е от решаващо значение.
В резултат на това 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 лазери, способни да произвеждат всичко - от кодове до графики и матрици на данни - всичко това с висока скорост и висока възпроизводимост.
Следователно спазването на тази гъвкавост е задължително за производителите на лазерни маркери като Bluhm Systeme, казва Антоанета Ауфдермауер, редактор на компанията, която непрекъснато наблюдава пазара и развива своите продукти съответно.
Системите за маркиране включват газови, оптични и твърдотелни лазери, включително CO2 и YAG системи. Лазерните маркери са импулсни и работят в диапазона на дължината на вълната от 0.355 μm до 10,6 μm. Всеки лазер има свои собствени характеристики и някои прилики: CO2 лазерите могат да се използват за маркиране на пластмаси, гума, хартия и фолио; влакнестите лазери са полезни за маркиране на стомана и някои пластмаси; и YAG лазерите са подходящи за маркиране на метали и керамика. Ние тестваме предварително всички материали на нашите клиенти в нашата лазерна лаборатория“, казва Ауфдермауер.
Преносимостта също е важна за осигуряване на гъвкавост в операциите за лазерно маркиране, което е идеално за индустриални клиенти, казва Ауфдермауер. Поради тази причина най-новият продукт на Bluhm Systeme, "Lightworx", разполага с 20W фибърен лазер в компактна работна станция, която може лесно да бъде преместена в производствени среди. Системата създава "постоянни, остри и устойчиви на подправяне" маркировки върху метали и пластмаси.
Тенденция 3: Нарастващо търсене на проследимост на компонентите
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. Чрез проследяване на 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 правят работата по-трудна - особено стъкло и полимери, както и тънки метали и фолиа. Маркировката също така трябва да бъде постоянна и стабилна и системата трябва да може да поеме широка гама от размери на продукта.
Особено предизвикателство за някои лазерни маркери 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 Laserax, производител на системи за лазерно маркиране, предлага 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 към кривината на обекта. За да отчетат повърхности с неизвестна геометрия, системите на Laserax 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 QiOVA, 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 предоставяне на специфични маркировки за всеки продукт. Понастоящем 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 се влияе от факта, че лазерното маркиране трябва да се променя за всеки продукт, така че наличието на технология за маркиране, която може да се адаптира за 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, QiOVA патентова своята технология VULQ1, която спечели наградата за иновации на лазерни системи на тазгодишното изложение за индустриално производство на Laser World Photonics, която не избира метод, който използва единичен непрекъснат лъч светлина (както правят традиционните системи за маркиране ). Вместо това, той използва стотици светлинни лъчи, за да произведе ефект, подобен на печат - генерирайки 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 модулатор на пространствена светлина (SLM). SLM може да се настройва на базата на изстрел, за да създаде лъчи с уникална структура.
Докато други технологии за лазерно маркиране могат да дадат приоритет на високите скорости на повторение за висока производителност, QiOVA използва по-високи импулсни енергии и паралелна обработка за по-добри резултати.
Thibaut казва: „Това подобно на печат решение за маркиране отключва огромен потенциал за производителност за маркиране с 2D баркод и е лесно 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, QiOVA може да изгради системи, използвайки готови инфрачервени и зелени Nd:YAG лазери с честоти на повторение от около 20-30Hz, като гарантира, че системите му остават възможно най-рентабилно.
Тенденция №4: Свръхбързите лазери превръщат стъклото в хранилище на данни
Друга вълнуваща нова област на лазерното маркиране: съхранение 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 микроаблация и веднъж произведени, ще могат да бъдат запазени за невероятно време,
През 2013 г. Hitachi обяви 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", който обещава да разработи zz-процентно стъкло. ORC започна да работи с Microsoft Research по „Project Silica“, който обещава да разработи zb-мащабни системи за съхранение и „фундаментално да преосмисли как да изгради 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.
Текущото ограничение на тази технология обаче е изключително ниската скорост, с която могат да се записват данни, а записването на данни в мащаб Tb 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: този метод не само 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 от 10 MHz и продължителност на импулса от 250 fs за създаване на малки вдлъбнатини в силициевото стъкло, които съдържат отделни наноламеларни 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 процента точност на четене. Всеки воксел съдържа четири бита информация, като всеки два воксела съответстват на един текстов символ. 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.