Каковы примечательные тенденции и инновации в области лазерной маркировки на 2023 год?

С середины-1960 века лазеры используются для нанесения маркировки, травления и резки. Первая в мире машина для лазерной маркировки была разработана в 1965 году, когда за ней было будущее сверления отверстий в формах для производства алмазов, и впоследствии эта технология получила быстрое развитие.
Первое внедрение CO2-лазеров для маркировки произошло в 1967 году, а в середине-1970 технология достигла зрелости благодаря коммерциализации современных CO2-лазерных систем. С тех пор системы лазерной маркировки стали основой широкого спектра отраслей промышленности, начиная от аэрокосмической отрасли и заканчивая производством медицинского оборудования, фармацевтикой и розничной торговлей.
Каковы примечательные тенденции и инновации в области лазерной маркировки на 2023 год?
Panasonic представляет действующую демонстрацию своей прецизионной 3D-маркировочной машины с короткоимпульсным волоконным лазером (изображение предоставлено Panasonic)
Несмотря на конкуренцию с другими технологиями, такими как струйная печать, лазеры зарекомендовали себя как мощная, недорогая и воспроизводимая технология производства маркировки. Важно отметить, что процесс экологичен и не требует расходных материалов (таких как чернила, картриджи и бумага).
Сегодня системы лазерной маркировки больше не полагаются исключительно на CO2-лазеры; другие, такие как волоконные лазеры и твердотельные источники света Nd:YAG, занимают меньшую площадь, имеют более низкие затраты на техническое обслуживание и являются эффективной альтернативой. Также очевиден прогресс в технологических возможностях. Самые быстрые коммерческие машины для лазерной маркировки теперь могут обрабатывать десятки тысяч деталей в час.
Хотя развитие технологии лазерной маркировки происходит быстро, производители и пользователи систем лазерной маркировки сейчас ищут новые пути развития технологии маркировки для решения новых задач и улучшения результатов обработки.
Тенденция 1: Лазерная маркировка керамических цепей
Эти проблемы связаны с новыми обрабатываемыми материалами и новыми приложениями, которые требуют роста и инноваций, одновременно формируя рынок разработки лазерных систем.
Например, керамика является одним из наиболее быстро развивающихся материалов для лазерной обработки, и этот материал особенно важен при производстве полупроводниковых деталей и печатных плат. Печатные платы (PCB), которые часто называют «матерью всех электронных системных продуктов», являются компонентом, используемым практически во всех электронных продуктах, и небольшие изменения в разработке печатных плат оказывают существенное влияние на рыночные тенденции.
В последние годы акцент сместился на использование керамики в обычных печатных платах (PCB), которые изготавливаются из пластичных эпоксидных смол, таких как FP4. Керамические печатные платы превосходно поддаются термообработке, просты в установке и обеспечивают превосходные характеристики по сравнению с некерамическими печатными платами. Однако многие методы маркировки, такие как трафаретная обработка, не подходят для керамики. Маркировка керамики чернилами громоздка, требует использования нескольких расходных материалов и не устойчива к истиранию. Хрупкость и твердость керамики также делают ее одним из самых сложных материалов для маркировки.
В результате в последние годы лазеры приобрели известность как альтернатива технологии струйной печати, и многие лазерные компании разработали системы, особенно подходящие для маркировки керамики, такие как твердотельные УФ-лазеры с диодной накачкой, а также традиционные CO2-лазеры. лазеры.
«Это определенно включает в себя тенденцию к миниатюризации», — говорит Эндрю Мэй, директор компании по лазерной маркировке ES Precision. Однако он подчеркивает, что внедрение новых рыночных тенденций также требует времени: «Каждую неделю появляется новое применение? Нет. Но 15 лет назад мы никогда не маркировали миниатюрную керамику, а теперь делаем».
Тенденция 2: Более гибкие материалы, формы и размеры
Однако, несмотря на быстрый рост, керамические маркеры для электроники в настоящее время не являются крупнейшим рынком для ES Precision. «Крупнейшей отраслью для нас являются медицинские устройства, — говорит Эндрю Мэй, — затем автомобилестроение, электроника и компоненты общего машиностроения. Ассортимент необходимой продукции сильно варьируется в зависимости от отрасли и рассматриваемой отрасли».
Компания располагает восемью лазерными системами (пять из которых с гальваническим покрытием), предоставляющими услуги маркировки для самых разных областей применения. По этой причине, а также потому, что компания постоянно привлекает новых клиентов с индивидуальными потребностями, Мэй подчеркивает, что для ES Precision решающее значение имеет способность проявлять гибкость.
В результате используются лазеры, подходящие для маркировки различных материалов, форм и размеров, а также различных размеров партий. Ассортимент маркеров, которые компания может предложить, столь же разнообразен, как и ее клиентская база: лазеры способны создавать все: от кодов до графики и матриц данных — и все это на высокой скорости и с высокой воспроизводимостью.
Поэтому обеспечение такой гибкости является обязательным для производителей лазерных маркеров, таких как Bluhm Systeme, — говорит Антуанетта Ауфдермауэр, редактор компании, которая постоянно следит за рынком и соответствующим образом разрабатывает свою продукцию.
Ее системы маркировки включают газовые, волоконные и твердотельные лазеры, включая системы CO2 и YAG. Лазерные маркеры являются импульсными и работают в диапазоне длин волн от 0,355 мкм до 10,6 мкм. Каждый лазер имеет свои особенности и некоторые сходства: лазеры CO2 можно использовать для маркировки пластика, резины, бумаги и фольги; волоконные лазеры удобны для маркировки стали и некоторых пластмасс; и YAG-лазеры подходят для маркировки металлов и керамики. Мы заранее тщательно тестируем все материалы наших клиентов в нашей лазерной лаборатории», — говорит Ауфдермауэр.
Портативность также важна для обеспечения гибкости в операциях лазерной маркировки, что идеально подходит для промышленных заказчиков, говорит Ауфдермауэр. По этой причине последний продукт Bluhm Systeme, Lightworx, представляет собой волоконный лазер мощностью 20 Вт в компактной рабочей станции, которую можно легко перенести в производственную среду. Система создает «стойкую, четкую и защищенную от несанкционированного доступа» маркировку на металлах и пластиках.
Тенденция 3: Растущий спрос на отслеживаемость компонентов
Еще одной важной тенденцией в области лазерной маркировки является обеспечение и совершенствование прослеживаемости – индивидуальная идентификация продукта посредством уникального идентификационного знака на его поверхности. Эта маркировка может принимать разные формы, но все более популярным и важным становится использование матриц данных, таких как двумерные коды (QR-коды).
Маркируя отдельный продукт собственным уникальным матричным кодом данных, его можно легко и ненавязчиво идентифицировать по ключевым данным, таким как производитель, номер партии и срок службы. Это обеспечивает гарантию качества: потребители и пользователи могут определить точное происхождение продукта. Такая гарантия качества создает прямую связь между потребителем и производителем и придает продукту дополнительную ценность, позволяя ему конкурировать с более дешевым производством.
Благодаря своей невероятной точности лазер идеально подходит для написания детальных кодов размером до 200 мкм — слишком маленьких, чтобы их мог заметить проходящий мимо человек, но их легко проверить с помощью смартфона, если человек знает свое местоположение. При таких размерах матрицы данных можно использовать в целях борьбы с подделками, что позволяет легко и ненавязчиво проверить подлинность качественного товара. Это оказывает огромное влияние на фармацевтическую промышленность, поскольку позволяет гарантировать, что такие лекарства, как таблетки, не производятся и не распространяются мошенническим путем.
Отслеживаемость компонентов также играет важную роль, когда они используются в качестве доказательства в судебных процессах. Например, если у кого-то есть медицинский трансплантат, и трансплантат оказался неудачным, отслеживаемость позволяет ему точно знать, что пошло не так, где пошло не так и в какой партии это пошло не так. Это, безусловно, повышает эффективность таких операций, как отзыв продукции, но также дает клиенту больше автономии. Это может быть неочевидно, но по мере того, как общество становится все более заинтересованным в судебных разбирательствах, технологии, которые могут повысить качество судебных решений, должны будут не отставать.
Прослеживаемость также способствует еще одной тенденции в производстве: повышению экологической устойчивости и снижению воздействия на окружающую среду. Отслеживая продукт, чтобы знать, когда он выходит из строя, или зная, когда он достигает конца своего жизненного цикла, производители могут более активно заменять и перерабатывать его. Это также означает, что продукцию можно вернуть на ремонт по назначению, поэтому на свалках может оказаться меньше оборудования.
Однако современные системы маркировки матриц данных сталкиваются со многими проблемами. Некоторые материалы затрудняют работу с ними, особенно стекло и полимеры, а также тонкие металлы и фольга. Маркировка также должна быть постоянной и стабильной, а система должна быть способна работать с широким диапазоном размеров продукции.
Особой проблемой для некоторых лазерных маркеров является маркировка на неплоских поверхностях. В этой области струйные принтеры по-прежнему превосходят лазерные системы. В результате системные инженеры работают над преодолением этих проблем. Например, компания Laserax, производитель систем лазерной маркировки, предлагает CO2- и волоконные лазеры со средней мощностью 20-500 Вт и различным временем цикла, оснащенные автоматически регулируемой фокусирующей оптикой для использования на 3D-поверхностях, которую можно регулировать. к кривизне объекта. Для учета поверхностей с неизвестной геометрией системы Laserax используют систему машинного зрения с автофокусом, которая сначала сканирует трехмерную поверхность, а затем регулирует фокус лазера в процессе маркировки.
Однако неплоские поверхности — не единственная проблема, с которой сталкиваются производители систем лазерной маркировки. Доктор Флоран Тибо, генеральный директор компании QiOVA, производителя решений для лазерной маркировки, объясняет: «Во многих случаях решения для маркировки, стандартизированные во всем мире, такие как струйная печать, не могут удовлетворить требования, необходимые для обеспечения конкретной маркировки для каждого продукта. В настоящее время обычное использование лазеров уже доступно как непрерывный метод, как и использование ручки. Однако это недостаточно быстро – нам необходимо найти решение, которое сбалансирует объем производства и точность».
На последовательную маркировку влияет тот факт, что лазерная маркировка должна меняться для каждого продукта, поэтому крайне важно иметь технологию маркировки, которую можно адаптировать для каждого продукта. Производителям требуется чрезвычайно высокая производительность — маркировка должна адаптироваться, а скорость маркировки должна быть высокой — и это даже не учитывает трудности обработки некоторых материалов, таких как стекло или полимеры.
Чтобы решить эту проблему, QiOVA запатентовала свою технологию VULQ1, которая получила награду Laser Systems Innovation Award на выставке Laser World Photonics Industrial Production Engineering в этом году, которая не выбирает метод, использующий одиночный непрерывный луч света (как это делают традиционные системы маркировки). ). Вместо этого он использует сотни световых лучей для создания эффекта штампа, мгновенно генерируя весь код матрицы данных. Метод, используемый для изготовления этого уникального штампа, представляет собой динамическое формирование луча, которое достигается с помощью таких компонентов, как пространственный модулятор света (SLM). SLM может регулироваться для каждого кадра для создания лучей с уникальной структурой.
В то время как другие технологии лазерной маркировки могут отдавать предпочтение высокой частоте повторения для обеспечения высокой производительности, QiOVA использует более высокие энергии импульсов и параллельную обработку для достижения лучших результатов.
Тибо говорит: «Это решение для маркировки в виде штампа открывает огромный потенциал производительности при маркировке 2D-штрих-кодами и его легко внедрить».
Например, ее технология может использоваться для маркировки медицинских деталей из ПВХ матричным кодом данных шириной 570-мкм со скоростью 77000 в час. Другие материалы, которые система может маркировать, включают алюминий, покрытый полимером HDPE; натриево-известковое стекло; боросиликатное стекло, чистое золото и литой эпоксидный композит.
Тибо добавляет: «Размеры рисунков могут составлять всего 100 мкм, сохраняя при этом совершенно четкую читаемость даже при маркировке по прямой линии, поскольку все точки маркируются одновременно». Более того, поскольку QiOVA не должна полагаться на высокие частоты повторения, она может создавать системы с использованием готовых инфракрасных и зеленых лазеров Nd:YAG с частотой повторения около 20-30Гц, гарантируя, что ее системы останутся неизменными. максимально рентабельно.
Тенденция №4: Сверхбыстрые лазеры превращают стекло в хранилище данных
Еще одна интересная новая область лазерной маркировки: хранение данных. Исследователи утверждают, что могут создать эффективные системы хранения данных, используя сверхбыстрые лазеры для кодирования данных в стеклянные/кристаллические носители. Данные хранятся в стекле/кристалле в форме микроабляции и после получения могут сохраняться в течение удивительного количества времени.
В 2013 году Hitachi анонсировала свою первую систему хранения данных на кварцевых кристаллах, а в 2014 году исследователи из Исследовательского центра оптоэлектроники (ORC) Университета Саутгемптона объявили о разработке системы фемтосекундного лазерного травления стекла. ORC начал сотрудничество с Microsoft Research в области «Проект Силика», обещающий разработать zz-процентное стекло. ORC начал работать с Microsoft Research над «Project Silica», который обещает разработать системы хранения данных масштаба zb и «фундаментально переосмыслить способы создания систем хранения данных большого объема».
Однако писать на стекле — непростая задача, и стандартные импульсные УФ- или CO2-лазерные системы могут создавать микротрещины — чрезмерный нагрев поверхности материала может привести к повреждению в горячих точках. Хотя эту проблему можно обойти, уменьшив энергию импульса, она не идеальна, когда требуется высокая точность. Вот почему исследователи обращаются к сверхбыстрым (фемтосекундным) лазерным системам, чтобы минимизировать риск термического повреждения. Сверхкороткая продолжительность высокоэнергетического импульса гарантирует, что к материалу будет подведено достаточно энергии для маркировки с предельной точностью, создавая лишь минимальные зоны термического воздействия и избегая микротрещин.
Однако в настоящее время ограничением этой технологии является чрезвычайно низкая скорость записи данных, а запись данных в масштабе Tb может занять годы. К счастью, текущие открытия предлагают способы увеличения скорости записи данных. В прошлом году исследователи ORC опубликовали в журнале Optica энергоэффективный метод лазерной записи: этот метод не только быстрый, но и позволяет хранить около 500 Тб данных на кварцевых дисках размером с компакт-диск — их 10,000 раз плотнее, чем технология хранения дисков Blu-ray.
Новый метод исследователей использует 515-нм волоконный лазер с частотой повторения 10 МГц и длительностью импульса 250 фс для создания крошечных ямок в кварцевом стекле, которые содержат отдельные наноламеллярные структуры размером всего 500 × 50 нм. Эти наноструктуры высокой плотности можно использовать для долговременного оптического хранения данных. Исследователи достигли скорости записи 1,000,000 воксела в секунду, что эквивалентно записи около 225 КБ данных (более 100 страниц текста) в секунду.
Новый метод был использован для записи 5 ГБ текстовых данных на диск из кремниевого стекла размером с обычный компакт-диск с почти 100-процентной точностью чтения. Каждый воксел содержит четыре бита информации, причем каждые два воксела соответствуют одному текстовому символу. Используя плотность записи, обеспечиваемую этим методом, диск сможет хранить 500 Тб данных. По словам исследователей, модернизировав систему для параллельной записи, можно будет записать такой объем данных примерно за 60 дней.