Aké sú pozoruhodné trendy a inovácie laserového značenia pre rok 2023?

Od polovice-1960 rokov sa lasery používajú na vytváranie značiek, leptanie a rezanie. Prvý laserový značkovací stroj na svete bol vyvinutý v roku 1965, kedy to bola budúcnosť vŕtania otvorov do foriem na výrobu diamantov a technológia následne získala rýchly rozvoj.
K prvému zavedeniu CO2 laserov na značenie došlo v roku 1967 a táto technológia dosiahla zrelosť v polovici{2}s vďaka komercializácii moderných CO2 laserových systémov. A odvtedy sa systémy laserového značenia stali základom v širokej škále priemyselných odvetví s aplikáciami od letectva po výrobu zdravotníckych pomôcok, farmaceutický priemysel a maloobchod.
Aké sú niektoré významné trendy a inovácie v oblasti laserového značenia pre rok 2023?
Panasonic predstavuje prevádzkovú demonštráciu svojho 3D presného laserového značkovacieho stroja s krátkym pulzom (obrazový kredit: Panasonic)
Napriek konkurencii s inými technológiami, ako je atramentová tlač, lasery sa stali výkonnou, nízkonákladovou a opakovateľnou výrobnou technológiou označovania. Dôležité je, že tento proces je ekologický a nevyžaduje žiadny spotrebný materiál (ako je atrament, kazety a papier).
V súčasnosti sa systémy laserového značenia už nespoliehajú len na CO2 lasery; iné, ako sú vláknové lasery a polovodičové svetelné zdroje Nd:YAG, ponúkajú menšie rozmery, nižšie náklady na údržbu a efektívne alternatívy. Pokrok v technologických možnostiach je tiež evidentný. Najrýchlejšie komerčné laserové značkovacie stroje teraz dokážu spracovať desiatky tisíc dielov za hodinu.
Zatiaľ čo vývoj technológie laserového značenia bol rýchly, výrobcovia a používatelia systémov laserového značenia teraz hľadajú nové cesty, ako pokročiť v technológii označovania, aby splnili nové výzvy a zlepšili výsledky spracovania.
Trend 1: Laserové značenie keramických obvodov
Tieto výzvy prichádzajú z nových materiálov, ktoré sa majú spracovať, a nových aplikácií, ktoré sa majú obsluhovať – každá z nich poháňa potrebu rastu a inovácie a zároveň formuje trh pre vývoj laserových systémov.
Napríklad keramika je jedným z najrýchlejšie rastúcich materiálov pri laserovom spracovaní a tento materiál je obzvlášť dôležitý pri výrobe polovodičových súčiastok a dosiek plošných spojov. Dosky s plošnými spojmi (PCB), ktoré sa často označujú ako „matka všetkých produktov elektronických systémov“, sú súčasťou prakticky všetkých elektronických produktov a malé zmeny vo vývoji dosiek plošných spojov majú významný vplyv na trendy na trhu.
V posledných rokoch sa pozornosť presunula na použitie keramiky v konvenčných doskách s plošnými spojmi (PCB), ktoré sú vyrobené z plastových epoxidových živíc, ako je FP4. Keramické dosky plošných spojov ponúkajú vynikajúcu tepelnú spracovateľnosť, ľahko sa implementujú a poskytujú vynikajúci výkon v porovnaní s nekeramickými doskami plošných spojov. Mnohé techniky značenia, ako je sitovanie, však nie sú vhodné pre keramiku. Značenie keramiky atramentom je ťažkopádne, vyžaduje si niekoľko spotrebných materiálov a nie je odolné voči oderu. Krehkosť a tvrdosť keramiky z nej robí jeden z ťažšie označiteľných materiálov.
Výsledkom je, že lasery sa v posledných rokoch dostali do popredia ako alternatíva k technológii atramentovej tlače a mnohé laserové spoločnosti vyvinuli systémy obzvlášť vhodné na keramické značenie, ako sú napríklad diódami čerpané pevné UV lasery, ako aj konvenčné CO2. lasery.
"To určite zahŕňa trend smerom k miniaturizácii," hovorí Andrew May, riaditeľ spoločnosti ES Precision na laserové značenie. Zdôrazňuje však, že zavádzanie nových trhových trendov si vyžaduje čas.
Trend 2: Flexibilnejšie materiály, tvary a veľkosti
Napriek rýchlemu rastu však keramické značkovače pre elektroniku nie sú v súčasnosti najväčším trhom ES Precision. "Najväčším odvetvím sú pre nás medicínske zariadenia," hovorí Andrew May, "potom komponenty pre automobilový priemysel, elektroniku a všeobecné strojárstvo. Rozsah požadovaných produktov sa značne líši v závislosti od odvetvia a príslušného odvetvia."
Spoločnosť má osem laserových systémov (z ktorých päť je poháňaných Galv), ktoré poskytujú služby značenia pre širokú škálu aplikácií. Z tohto dôvodu a pretože spoločnosť stále získava nových zákazníkov s prispôsobenými potrebami – May zdôrazňuje, že pre ES Precision je schopnosť byť flexibilná kľúčová.
Vďaka tomu používa lasery vhodné na značenie rôznych materiálov, tvarov a veľkostí, ako aj rôznych veľkostí sérií. Sortiment značkovačov, ktoré môže ponúknuť, je rovnako rôznorodý ako jeho zákaznícka základňa, pričom lasery sú schopné produkovať všetko od kódov po grafiku a dátové matice – všetko pri vysokej rýchlosti a s vysokou reprodukovateľnosťou.
Splnenie tejto flexibility je preto pre výrobcov laserových značkovačov, ako je Bluhm Systeme, nevyhnutnosťou, hovorí Antoinette Aufdermauer, redaktorka spoločnosti, ktorá neustále monitoruje trh a podľa toho vyvíja svoje produkty.
Jej značkovacie systémy zahŕňajú plynové, vláknové a pevnolátkové lasery vrátane CO2 a YAG systémov. Laserové markery sú pulzné a pracujú v rozsahu vlnových dĺžok 0,355 μm až 10,6 μm. Každý laser má svoje vlastné charakteristiky a niektoré podobnosti: CO2 lasery možno použiť na označovanie plastov, gumy, papiera a fólií; vláknové lasery sú výhodné na značenie ocele a niektorých plastov; a YAG lasery sú vhodné na značenie kovov a keramiky. Všetky materiály našich zákazníkov vopred dôkladne testujeme v našom laserovom laboratóriu,“ hovorí Aufdermauer.
Prenosnosť je tiež dôležitá na zabezpečenie flexibility v operáciách laserového značenia, čo je ideálne pre priemyselných zákazníkov, hovorí Aufdermauer. Z tohto dôvodu najnovší produkt Bluhm Systeme, „Lightworx“, obsahuje 20W vláknový laser v kompaktnej pracovnej stanici, ktorú možno ľahko presunúť do produkčného prostredia. Systém vytvára na kovoch a plastoch „trvalé, ostré a odolné voči falšovaniu“.
Trend 3: Rastúci dopyt po sledovateľnosti komponentov
Ďalším dôležitým trendom v oblasti laserového značenia je zabezpečenie a spresnenie sledovateľnosti – individuálnej identifikácie produktu pomocou jedinečného identifikačného znaku na jeho povrchu. Toto značenie môže mať mnoho podôb, no čoraz populárnejšie a dôležitejšie je používanie dátových matíc, ako sú dvojrozmerné kódy (QR kódy).
Označením jednotlivého produktu vlastným jedinečným dátovým maticovým kódom ho možno ľahko identifikovať nerušivým spôsobom s kľúčovými údajmi, ako je výrobca, číslo šarže a životnosť. To poskytuje záruku kvality: spotrebitelia a používatelia môžu určiť presný pôvod produktu. Toto zabezpečenie kvality vytvára priame spojenie medzi spotrebiteľom a výrobcom a dáva produktu pridanú hodnotu, čo mu umožňuje konkurovať lacnejšej výrobe.
Vďaka svojej neuveriteľnej presnosti sa laser ideálne hodí na písanie detailných kódov s veľkosťou až 200 μm – príliš malý na to, aby ho videl niekto okoloidúci, ale dá sa ľahko skontrolovať pomocou smartfónu, či osoba pozná ich polohu. Pri takýchto veľkostiach možno dátové matice použiť na účely boja proti falšovaniu, čo uľahčuje kontrolu pravosti vysokokvalitného tovaru nerušivým spôsobom. To má obrovský vplyv na farmaceutický priemysel, pretože je to spôsob, ako zabezpečiť, aby sa lieky, ako sú tabletky, nevyrábali a nedistribuovali podvodne.
Vysledovateľnosť komponentov zohráva dôležitú úlohu aj pri použití ako dôkazu v súdnom spore. Napríklad, ak má niekto lekársky transplantát a transplantácia zlyhá, vysledovateľnosť mu umožňuje presne vedieť, čo sa pokazilo, kde sa pokazilo a v ktorej šarži sa pokazilo. To určite zvyšuje efektivitu vo veciach, ako je stiahnutie produktov, ale dáva to zákazníkovi aj väčšiu autonómiu. Možno to nie je zrejmé, ale ako sa spoločnosť začne viac zaujímať o súdne spory, technológia, ktorá môže zlepšiť súdne verdikty, bude musieť držať krok.
Vysledovateľnosť tiež prispieva k ďalšiemu trendu vo výrobe: zlepšovaniu environmentálnej udržateľnosti a znižovaniu ekologických dopadov. Sledovaním produktu, aby ste vedeli, kedy zlyhá, alebo keď vedia, kedy dosiahne koniec svojho životného cyklu, sú výrobcovia schopní proaktívne vymieňať a recyklovať. To tiež znamená, že výrobky možno vrátiť na renováciu podľa plánu, takže menej zariadení môže skončiť na skládkach.
Súčasné systémy označovania maticou údajov však čelia mnohým výzvam. Niektoré materiály sťažujú manipuláciu – najmä sklo a polyméry, ako aj tenké kovy a fólie. Označenie musí byť tiež trvalé a stabilné a systém musí byť schopný prispôsobiť sa širokej škále veľkostí výrobkov.
Osobitnou výzvou pre niektoré laserové značkovače je značenie na nerovinných povrchoch. Atramentové tlačiarne v tejto oblasti stále prevyšujú laserové systémy. Výsledkom je, že systémoví inžinieri pracujú na prekonaní týchto výziev. Napríklad spoločnosť Laserax, výrobca laserových značkovacích systémov, ponúka CO2 a vláknové lasery s priemerným výkonom 20-500 W a premenlivými dobami cyklu, vybavené zaostrovacou optikou s automatickým nastavením na použitie na 3D povrchoch, ktorú možno nastaviť na zakrivenie objektu. Na zohľadnenie povrchov s neznámou geometriou používajú systémy Laserax systém automatického zaostrovania, ktorý najskôr skenuje 3D povrch a potom upravuje laserové zaostrenie počas procesu označovania.
Nerovné povrchy však nie sú jedinou výzvou, ktorej čelia výrobcovia laserových značkovacích systémov. Doktor Florent Thibaut, generálny riaditeľ spoločnosti QiOVA, ktorá je výrobcom riešení na označovanie laserom, vysvetľuje: „V mnohých prípadoch riešenia značenia, ktoré sú štandardizované globálne, ako napríklad atramentová tlač, nie sú schopné splniť požiadavky potrebné na poskytovanie špecifického značenia pre každý produkt. V súčasnosti je už bežné používanie laserov dostupné ako kontinuálna metóda, podobne ako používanie pera. To však nie je dostatočne rýchle – musíme nájsť riešenie, ktoré vyváži objem výroby a presnosť.“
Sekvenčné značenie je ovplyvnené skutočnosťou, že laserové značenie sa musí meniť pre každý výrobok, preto je rozhodujúce mať technológiu označovania, ktorá sa dá prispôsobiť pre každý výrobok. Výrobcovia vyžadujú extrémne vysokú priepustnosť – značenie sa musí prispôsobiť a rýchlosť označovania musí byť vysoká – a to dokonca nezohľadňuje ťažkosti pri spracovaní určitých materiálov, ako je sklo alebo polyméry.
Na vyriešenie tohto problému si QiOVA patentovala svoju technológiu VULQ1, ktorá získala ocenenie Laser Systems Innovation Award na tohtoročnom Laser World Photonics Industrial Production Engineering, ktorá sa nerozhodla pre metódu využívajúcu jediný súvislý lúč svetla (ako to robia tradičné označovacie systémy ). Namiesto toho používa stovky svetelných lúčov na vytvorenie efektu podobného pečiatke - vygeneruje celý kód dátovej matice v okamihu. Metóda použitá na výrobu tejto jedinečnej pečiatky je dynamické tvarovanie lúča, ktoré sa vykonáva pomocou komponentov, ako je modulátor priestorového svetla (SLM). SLM je schopný prispôsobiť sa na základe jednotlivých záberov, aby vytvoril lúče s jedinečnou štruktúrou.
Zatiaľ čo iné technológie laserového značenia môžu uprednostňovať vysoké opakovacie frekvencie pre vysokú priepustnosť, QiOVA využíva vyššiu energiu impulzov a paralelné spracovanie na dosiahnutie lepších výsledkov.
Thibaut hovorí: „Toto riešenie označovania podobné pečiatke otvára obrovský potenciál produktivity pre 2D označovanie čiarovým kódom a je jednoduché ho implementovať.“
Jeho technológiu možno napríklad použiť na označovanie medicínskych dielov z PVC pomocou 570-μm-širokého kódu dátovej matice rýchlosťou 77,000 za hodinu. Ďalšie materiály, ktoré môže systém označiť, zahŕňajú hliník potiahnutý HDPE polymérom; sodno-vápenaté sklo; borosilikátové sklo, čisté zlato a epoxidový lisovaný kompozit.
Thibault dodáva: "Veľkosti vzoru môžu byť malé až 100 μm pri zachovaní dokonale čistej čitateľnosti, dokonca aj pri označovaní v priamke, pretože všetky body sú označené súčasne." A čo viac, pretože QiOVA sa nemusí spoliehať na vysoké opakovacie frekvencie, môže vytvárať systémy využívajúce bežne dostupné infračervené a zelené Nd:YAG lasery s opakovacími frekvenciami okolo 20-30 Hz, čím zaisťuje, že jej systémy zostanú zachované. nákladovo najefektívnejšie.
Trend č. 4: Ultrarýchle lasery premieňajú sklo na úložisko dát
Ďalšia vzrušujúca nová oblasť laserového značenia: ukladanie dát. Výskumníci tvrdia, že dokážu vytvoriť efektívne systémy na ukladanie údajov pomocou ultrarýchlych laserov na kódovanie údajov do sklenených/kryštalických médií. Dáta sú uložené v skle/kryštále vo forme mikroablácie a keď sa vyrobia, budú môcť byť uchované na úžasný čas,
V roku 2013 spoločnosť Hitachi oznámila svoj prvý systém na ukladanie údajov z kremenného kryštálu a v roku 2014 výskumníci z Optoelectronics Research Center (ORC) University of Southampton oznámili svoj vývoj femtosekundového laserom leptaného skleneného systému. ORC začala spolupracovať s Microsoft Research na „Projekt Silica“, ktorý sľubuje vývoj skla s percentom zz. ORC začala spolupracovať s výskumom spoločnosti Microsoft na projekte „Project Silica“, ktorý sľubuje vývoj úložných systémov v mierke Zb a „zásadne prehodnotí spôsob budovania systémov veľkokapacitných úložných zariadení.
Písanie na sklo však nie je ľahká úloha a štandardné pulzné UV alebo CO2 laserové systémy môžu vytvárať mikrotrhlinky – nadmerné zahrievanie povrchu materiálu môže viesť k poškodeniu tepelných horúcich bodov. Aj keď sa to dá obísť znížením energie impulzu, nie je to ideálne, keď sa vyžaduje vysoká presnosť. Preto sa výskumníci obracajú na ultrarýchle (femtosekundové) laserové systémy, aby minimalizovali riziko tepelného poškodenia. Ultra krátke trvanie vysokoenergetického impulzu zaisťuje, že sa do materiálu dostane dostatok energie na jeho označenie s extrémnou presnosťou, čím sa vytvoria len minimálne tepelne ovplyvnené zóny a zabráni sa mikrotrhlinám.
Súčasným obmedzením tejto technológie je však extrémne nízka rýchlosť zápisu údajov a zápis údajov v mierke Tb môže trvať roky. Našťastie prebiehajúce objavy naznačujú spôsoby, ako zvýšiť rýchlosť zápisu údajov. Minulý rok výskumníci ORC publikovali v časopise Optica energeticky efektívnu laserovú metódu zapisovania: táto metóda je nielen rýchla, ale dokáže uložiť približne 500 TB údajov na silikagélových diskoch veľkosti CD – je ich 10,000 krát hustejšia ako technológia ukladania diskov Blu-ray.
Nová metóda výskumníkov využíva 515-nm vláknový laser s opakovacou frekvenciou 10 MHz a trvaním impulzu 250 fs na vytvorenie malých jamiek v kremičitom skle, ktoré obsahujú jednotlivé nanolamelárne štruktúry s rozmermi iba 500 × 50 nm. Tieto nanoštruktúry s vysokou hustotou môžu byť použité na dlhodobé ukladanie optických dát. Výskumníci dosiahli rýchlosť zápisu 1,000,{9}} voxelov za sekundu, čo zodpovedá zaznamenaniu približne 225 kB údajov (viac ako 100 strán textu) za sekundu.
Nová metóda sa použila na zápis 5 GB textových údajov na disk z kremíkového skla veľkosti bežného CD-ROM s presnosťou čítania takmer 100 percent. Každý voxel obsahuje štyri bity informácií, pričom každé dva voxely zodpovedajú jednému textovému znaku. Použitím hustoty zápisu, ktorú poskytuje metóda, bude disk schopný pojať 500 Tb dát. Inováciou systému na paralelný zápis by malo byť možné zapísať toľko údajov za približne 60 dní, uviedli vedci.