Lasereja on käytetty merkintöihin, etsaukseen ja leikkaamiseen -1960en puolivälistä lähtien. Maailman ensimmäinen lasermerkintäkone kehitettiin vuonna 1965 tulevaa reikien poraamista varten timanttivalmistusmuoteissa, ja tekniikka sai myöhemmin nopeaa vauhtia.
Varhainen käyttöönottoCO2 laserit merkintääntapahtui vuonna 1967, ja tekniikka saavutti kypsyyden puolenvälissä{1}} nykyaikaisten CO2-laserjärjestelmien kaupallistamisen myötä. Siitä lähtien lasermerkintäjärjestelmistä on tullut tukipilari useilla eri aloilla ilmailu- ja avaruusteollisuudesta lääkinnällisten laitteiden valmistukseen, lääkkeisiin ja vähittäiskauppaan.
Huolimatta siitä, että laserit kilpailevat muiden teknologioiden, kuten mustesuihkutulostuksen, kanssa, ne on leimattu tehokkaaksi, edulliseksi ja toistettavaksi merkintätekniikaksi. Tärkeää on, että prosessi on ympäristöystävällinen eikä vaadi kulutustarvikkeita (kuten mustetta, kasetteja ja paperia). Nyt lasermerkintäjärjestelmät eivät enää ole riippuvaisia pelkästään CO2-lasereista; toiset, kuten kuitulaserit ja Nd: YAG-solidstate-valonlähteet, tarjoavat pienemmän jalanjäljen, alhaisemmat ylläpitokustannukset ja tehokkaat vaihtoehdot; ja teknisten valmiuksien kehitys on ilmeistä. Nopeimmat kaupalliset lasermerkintäkoneet pystyvät nyt käsittelemään kymmeniä tuhansia osia tunnissa.
Vaikka lasermerkintätekniikan kehitys on ollut nopeaa, lasermerkintäjärjestelmien valmistajat ja käyttäjät etsivät nyt uusia reittejä merkintätekniikan rajojen siirtämiseksi uusiin haasteisiin vastaamiseksi ja prosessointitulosten parantamiseksi.
Keraamisen piirin lasermerkintä
Nämä haasteet johtuvat uusista prosessoitavista materiaaleista ja uusista tarjottavista sovelluksista, jotka kumpikin lisäävät kasvun ja innovoinnin tarvetta ja muokkaavat laserjärjestelmien kehitysmarkkinoita.
Esimerkiksi,keramiikkaovat yksi nopeimmin kasvavista laserkäsittelyn materiaaleista, ja tämä materiaali on erityisen tärkeä puolijohdeosien ja piirilevyjen valmistuksessa. Usein "kaikkien elektroniikkajärjestelmätuotteiden äidiksi" kutsuttuja painettuja piirilevyjä (PCB:t) käytetään lähes kaikissa elektroniikkatuotteissa, ja pienet muutokset piirilevyjen kehityksessä vaikuttavat merkittävästi markkinatrendeihin.
Viime vuosina painopiste on siirtynyt keramiikan käyttöön tavanomaisissa painetuissa piirilevyissä (PCB), jotka on valmistettu muovisista epoksihartseista, kuten FP4. Keraamiset piirilevyt tarjoavat erinomaisen lämpökäsittelyn, ne ovat helppoja toteuttaa ja tarjoavat erinomaisen suorituskyvyn verrattuna ei-keraamisiin piirilevyihin. Monet merkintätekniikat, kuten seulakäsittely, eivät kuitenkaan sovellu keramiikkaan. Keramiikan mustemerkintä on hankalaa, vaatii useita kulutusosia, eikä se kestä hankausta. Keramiikan hauraus ja kovuus tekevät niistä myös yhden vaikeammin merkittävistä materiaaleista.
Tämän seurauksena laserit ovat viime vuosina nousseet asemaan vaihtoehtona mustetulostusteknologialle, ja monet laseryritykset ovat kehittäneet järjestelmiä, jotka soveltuvat erityisesti keraamisiin merkintöihin, kuten diodipumppaavia solid-state UV-lasereita sekä tavanomaisia CO2-lasereita. laserit.
"Tämä sisältää suuntauksen miniatyrisointiin", sanoo Andrew May, lasermerkintäyrityksen johtaja. Hän kuitenkin korostaa, että myös uusien markkinatrendien esittely vie aikaa. "Onko joka viikko uusi sovellus? Ei. Mutta 15 vuotta sitten emme koskaan tehneet miniatyyrikeramiikkaa, ja nyt teemme."
Joustavampia materiaaleja, muotoja ja kokoja
Nopeasta kasvustaan huolimatta elektroniikan keraaminen merkintä ei ole tällä hetkellä lasermerkintäyrityksen suurin markkina-alue. "Meille suurin toimiala on lääkinnälliset laitteet", Andrew May sanoo, "sitten autoteollisuus, elektroniikka ja yleiset suunnittelukomponentit. Tarvittavien tuotteiden valikoima vaihtelee suuresti toimialan ja toimialan mukaan."
Yrityksellä on kahdeksan laserjärjestelmää (joista viisi galvanoitua), jotka tarjoavat merkintäpalveluita monenlaisiin sovelluksiin. Tämän vuoksi ja koska yritys hankkii jatkuvasti uusia asiakkaita räätälöityjen vaatimusten mukaisesti - May korostaa, että kyky olla joustava on elintärkeää. Tämän seurauksena se käyttää lasereita, jotka soveltuvat eri materiaalien, muotojen ja kokojen sekä erilaisten eräkokojen merkitsemiseen. Sen tarjoamien merkkien valikoima on myös yhtä monipuolinen kuin sen asiakaskunta, ja sen laserit pystyvät tuottamaan kaikkea koodeista grafiikkaan ja datamatriiseihin - kaikki suurella nopeudella ja korkealla toistettavuudella.
Tämän joustavuuden huomioiminen on siksi välttämätöntä lasermerkintäkoneiden valmistajille, kuten esimBluhm Systeme.
Komponenttien jäljitettävyyden kysyntä kasvaa
Toinen tärkeä trendi lasermerkinnän alalla on jäljitettävyyden varmistaminen ja jalostaminen - tuotteen yksilöllinen tunnistaminen sen pinnalla olevan yksilöllisen tunnistusmerkin avulla. Tämä merkintä voi olla monimuotoista, mutta yhä suositumpaa ja tärkeämpää on datamatriisien, kuten kaksiulotteisten koodien (QR-koodien) käyttö.
Merkitsemällä yksittäisen tuotteen sen omalla yksilöllisellä datamatriisikoodilla se voidaan helposti tunnistaa tunkeutumattomalla tavalla tärkeimmillä tiedoilla, kuten valmistaja, eränumero ja käyttöikä. Tämä takaa laadunvarmistuksen: kuluttajat ja käyttäjät voivat määrittää tuotteen tarkan alkuperän. Tämä laadunvarmistus luo suoran yhteyden kuluttajan ja valmistajan välille ja antaa tuotteelle lisäarvoa, joka mahdollistaa sen, että he voivat kilpailla halvemman valmistuksen kanssa. Uskomattoman tarkkuutensa ansiosta laser soveltuu ihanteellisesti jopa 200 μm:n kokoisten yksityiskohtaisten koodien kirjoittamiseen - liian pieni ohikulkijan näkemään, mutta se on helppo tarkistaa älypuhelimella, jos henkilö tietää sijaintinsa. Tällaisissa kooissa datamatriiseja voidaan käyttää väärennösten torjuntaan, jolloin korkealaatuisten tavaroiden aitous on helppo tarkistaa tunkeutumattomalla tavalla. Tällä on valtava vaikutus lääketeollisuuteen, koska se on tapa varmistaa, että lääkkeitä, kuten pillereitä, ei valmisteta ja levitetä vilpillisesti.
Komponenttien jäljitettävyydellä on myös tärkeä rooli, kun sitä käytetään todisteena oikeudenkäynneissä. Jos jollekulle on esimerkiksi tehty lääketieteellinen siirto ja siirto epäonnistuu, jäljitettävyyden avulla hän tietää tarkalleen, mikä meni pieleen, missä meni pieleen ja missä erässä se meni pieleen. Tämä varmasti lisää tehokkuutta asioissa, kuten tuotteiden takaisinkutsuissa, mutta antaa myös asiakkaalle enemmän itsemääräämisoikeutta. Se ei ehkä ole ilmeistä, mutta kun yhteiskunta kiinnostuu enemmän riita-asioista, teknologian, joka voi parantaa oikeudenkäyntien tuomioita, on pysyttävä mukana.
Jäljitettävyys edistää myös toista tuotannon suuntausta: ympäristön kestävyyden parantamista ja ekologisten vaikutusten vähentämistä. Seuraamalla tuotetta, jotta se tietää, milloin se epäonnistuu, tai tietämällä, milloin se saavuttaa elinkaarensa lopun, valmistajat voivat paremmin vaihtaa ja kierrättää ennakoivasti. Tämä tarkoittaa myös sitä, että tuotteet voidaan palauttaa kunnostettavaksi tarkoitetulla tavalla, jolloin kaatopaikoille saattaa päätyä vähemmän laitteita.
Nykyiset datamatriisimerkintäjärjestelmät kohtaavat kuitenkin monia haasteita. Tietyt materiaalit vaikeuttavat käsittelyä - erityisesti lasi ja polymeerit sekä ohuet metallit ja kalvot. Merkinnän tulee myös olla pysyvä ja vakaa, ja järjestelmän tulee pystyä sovittamaan monenlaisia tuotekokoja.
Erityinen haaste joillekin lasermerkintäkoneille on merkitseminen ei-tasomaisille pinnoille. Mustesuihkutulostimia on edelleen enemmän kuin laserpohjaisia järjestelmiä tällä alueella. Tämän seurauksena järjestelmäsuunnittelijat pyrkivät voittamaan nämä haasteet. Esimerkiksi jotkut lasermerkintäjärjestelmien valmistajat tarjoavat CO2- ja kuitulasereita, joiden keskimääräinen teho on 20-500 W ja vaihtelevat sykliajat, jotka on varustettu automaattisesti säätyvällä tarkennusoptiikalla käytettäväksi 3D-pinnoilla, joita voidaan säätää kaarevuuden mukaan. objekti. Tuntemattomien geometristen pintojen huomioon ottamiseksi järjestelmät käyttävät automaattitarkennettavaa visiojärjestelmää, joka skannaa ensin 3D-pinnan ja säätää sitten lasertarkennusta merkintäprosessin aikana.
Ei-tasaiset pinnat eivät kuitenkaan ole lasermerkintäjärjestelmien valmistajien ainoa haaste. Dr. Florent Thibaut, lasermerkintäratkaisujen valmistajan toimitusjohtaja, selittää: "Monissa tapauksissa maailmanlaajuisesti standardoidut merkintäratkaisut, kuten mustesuihku, eivät pysty täyttämään vaatimuksia, joita tarvitaan tietyn merkin antamiseen kullekin tuotteelle. Tällä hetkellä , tavanomainen lasereiden käyttö on jo saatavilla jatkuvana menetelmänä, aivan kuten kynällä. Tämä ei kuitenkaan ole tarpeeksi nopeaa - meidän on löydettävä ratkaisu, joka tasapainottaa tuotantomäärän ja tarkkuuden."
Jaksottaiseen merkintään vaikuttaa, koska lasermerkinnän on muututtava jokaisen tuotteen kohdalla, joten kuhunkin tuotteeseen mukautettava merkintätekniikka on erittäin tärkeää. Valmistajat vaativat erittäin suurta suorituskykyä - merkinnän on mukauduttava ja merkintänopeuden on oltava korkea - eikä tässä edes oteta huomioon tiettyjen materiaalien, kuten lasin tai polymeerien, käsittelyn vaikeutta.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi lasermerkintäratkaisujen valmistaja on patentoinut VULQ1-teknologiansa, joka voitti Laser Systems Innovation Award -palkinnon tämän vuoden Laser World Photonics Industrial Production Engineering -tapahtumassa, joka ei valitse yhden jatkuvan valonsäteen käyttöä (kuten tapaus tavanomaisten merkintäjärjestelmien kanssa). Sen sijaan se käyttää satoja valonsäteitä leimamaisen tehosteen tuottamiseen - tuottaen koko datamatriisikoodin hetkessä. Tämän ainutlaatuisen leiman tuottamiseen käytetty menetelmä on dynaaminen säteen muotoilu, joka saadaan aikaan käyttämällä komponentteja, kuten Spatial Light Modulator (SLM), jota voidaan säätää laukauskohtaisesti luodakseen ainutlaatuisen rakenteen omaavia säteitä.
Vaikka muut lasermerkintätekniikat voivat asettaa etusijalle suuret toistonopeudet suuren suorituskyvyn saavuttamiseksi, tämä tekniikka käyttää suurempaa pulssienergiaa ja rinnakkaiskäsittelyä parempien tulosten saavuttamiseksi.
Thibaut sanoo: "Tämä leimamainen merkintäjärjestelmä avaa valtavat tuottavuusmahdollisuudet 2D-viivakoodimerkinnässä ja on helppo toteuttaa."
Sen tekniikkaa voidaan käyttää esimerkiksi merkitsemään PVC:n lääketieteellisiä osia 570-μm leveällä datamatriisikoodilla nopeudella 77,000 tunnissa. Muita materiaaleja, joita järjestelmä voi merkitä, ovat HDPE-polymeerillä päällystetty alumiini; sooda-kalkki lasi; borosilikaattilasi, puhdas kulta ja epoksivalettu komposiitti.
Thibault lisää: "Kuvioiden koot voivat olla niinkin pieniä kuin 100 μm säilyttäen samalla täysin selkeän luettavuuden, jopa suoraviivaisessa merkinnässä, koska kaikki pisteet merkitään samanaikaisesti." Lisäksi, koska sen ei tarvitse luottaa korkeisiin toistotaajuuksiin, tekniikka voi rakentaa järjestelmiä käyttämällä valmiita infrapuna- ja vihreitä Nd: YAG-lasereita, joiden toistotaajuudet ovat noin 20-30Hz, mikä varmistaa, että sen järjestelmät pysyä mahdollisimman kustannustehokkaana.
Ultranopea laser muuttaa lasin tallennustilaksi
Toinen jännittävä uusi lasermerkintäalue on tietojen tallennus. Tutkijat väittävät voivansa tuottaa tehokkaita tiedontallennusjärjestelmiä käyttämällä ultranopeita lasereita datan koodaamiseen lasi-/kidemediaan. Tiedot tallennetaan lasiin/kiteisiin mikroablaation muodossa, ja kun ne on tuotettu, niitä voidaan säilyttää hämmästyttävän kauan.
Vuonna 2013,Hitachijulkisti ensimmäisen kvartsikidetietojen tallennusjärjestelmänsä, ja vuonna 2014 Southamptonin yliopiston optoelektroniikan tutkimuskeskuksen (ORC) tutkijat ilmoittivat kehittävänsä femtosekunnin laseretsatun lasijärjestelmän. ORC on aloittanut yhteistyön Microsoft Researchin kanssa "Project Silica" -projektissa ORC on alkanut työskennellä Microsoft Researchin kanssa "Project Silica" -projektissa, joka lupaa kehittää zb-mittakaavaisia tallennusjärjestelmiä ja "pohjimmiltaan miettiä massamuistijärjestelmien rakentamista.
Lasille kirjoittaminen ei kuitenkaan ole helppoa, ja tavalliset pulssi-UV- tai CO2-laserjärjestelmät voivat aiheuttaa mikrohalkeamia - materiaalin pinnan liiallinen kuumeneminen voi johtaa vaurioihin kuumissa lämpöpisteissä. Vaikka tämä voidaan kiertää vähentämällä pulssienergiaa, se ei ole ihanteellinen, kun vaaditaan suurta tarkkuutta. Tästä syystä tutkijat ottavat käyttöön ultranopeita (femtosekuntisia) laserjärjestelmiä minimoidakseen lämpövaurioiden riskin. Korkeaenergisen pulssin ultralyhyt kesto varmistaa, että materiaaliin syötetään tarpeeksi energiaa sen merkitsemiseksi äärimmäisen tarkasti, mikä luo vain minimaalisia lämpövaikutuksia ja välttää mikrohalkeamia.
Tämän tekniikan tämänhetkinen rajoitus on erittäin alhainen tiedonkirjoitusnopeus, ja Tb-mittakaavaisen datan kirjoittaminen voi kestää vuosia. Onneksi jatkuvat läpimurrot ehdottavat tapoja lisätä tietojen kirjoitusnopeuksia. Viime vuonna ORC:n tutkijat julkaisivat energiatehokkaan laserkirjoitusmenetelmän Optica-lehdessä: tämä menetelmä ei ole vain nopea, vaan se voi tallentaa noin 500 Tb tietoa CD-kokoisille piidioksidilevyille – niitä on 10,000 kertaa tiheämpi kuin Blu-ray Disc -tallennustekniikka.
Tutkijoiden uusi menetelmä käyttää 515 nm:n kuitulaseria, jonka toistotaajuus on 10 MHz ja pulssin kesto 250 fs, luomaan piidioksidilasiin pieniä kuoppia, jotka sisältävät yksittäisiä nanolaminaarisia rakenteita, joiden mitat ovat vain 500 × 50 nm. Näitä suuritiheyksisiä nanorakenteita voidaan käyttää pitkän aikavälin optisen tiedon tallentamiseen. Tutkijat saavuttivat kirjoitusnopeuden 1,000,000 vokseliä sekunnissa, mikä vastaa noin 225 kilotavua dataa (yli 100 sivua tekstiä) sekunnissa.
Uudella menetelmällä kirjoitettiin 5 Gt tekstidataa perinteisen CD-ROM-levyn kokoiselle piilasilevylle lähes 100 % lukutarkkuudella. Jokainen vokseli sisältää neljä bittiä informaatiota, ja jokainen kaksi vokselia vastaa yhtä tekstimerkkiä. Käyttämällä menetelmän tarjoamaa kirjoitustiheyttä levylle mahtuu 500 Tb dataa. Päivittämällä järjestelmää rinnakkaiseen kirjoittamiseen, pitäisi olla mahdollista kirjoittaa niin paljon dataa noin 60 päivässä, tutkijat sanoivat.
