Kateri so omembe vredni trendi in inovacije laserskega označevanja za leto 2023?

Od srede-1960 20. stoletja se laserji uporabljajo za izdelavo oznak, jedkanje in rezanje. Prvi laserski označevalni stroj na svetu je bil razvit leta 1965, ko je bila prihodnost vrtanja lukenj v kalupe za proizvodnjo diamantov, tehnologija pa se je nato hitro razvijala.
Zgodnja uvedba laserjev CO2 za označevanje se je zgodila leta 1967, tehnologija pa je dosegla zrelost sredi -1970s komercializacijo sodobnih laserskih sistemov CO2. In od takrat so sistemi za lasersko označevanje postali temelj v številnih panogah z aplikacijami, ki segajo od letalstva do proizvodnje medicinskih naprav, farmacevtskih izdelkov in maloprodaje.
Kateri so nekateri pomembni trendi in novosti laserskega označevanja za leto 2023?
Panasonic predstavlja predstavitev delovanja svojega 3D stroja za natančno lasersko označevanje vlaken s kratkimi impulzi (avtorstvo slike: Panasonic)
Kljub tekmovanju z drugimi tehnologijami, kot je brizgalno tiskanje, so bili laserji označeni kot zmogljiva, poceni in ponovljiva tehnologija izdelave oznak. Pomembno je, da je postopek okolju prijazen in ne zahteva potrošnega materiala (kot so črnilo, kartuše in papir).
Dandanes se sistemi za lasersko označevanje ne zanašajo več samo na CO2 laserje; drugi, kot so laserji z vlakni in polprevodniški svetlobni viri Nd:YAG, ponujajo manjšo površino, nižje stroške vzdrževanja in učinkovite alternative. Očiten je tudi napredek v tehnoloških zmogljivostih. Najhitrejši komercialni stroji za lasersko označevanje lahko zdaj obdelajo več deset tisoč delov na uro.
Čeprav je bil razvoj tehnologije laserskega označevanja hiter, proizvajalci in uporabniki sistemov laserskega označevanja zdaj iščejo nove poti za napredek tehnologije označevanja, da bi se soočili z novimi izzivi in ​​izboljšali rezultate obdelave.
Trend 1: Lasersko označevanje keramičnih vezij
Ti izzivi izvirajo iz novih materialov, ki jih je treba obdelati, in novih aplikacij, ki jih je treba uporabiti – vsaka spodbuja potrebo po rasti in inovacijah, hkrati pa oblikuje trg za razvoj laserskih sistemov.
Keramika je na primer eden najhitreje rastočih materialov v laserski obdelavi, ta material pa je še posebej pomemben pri izdelavi polprevodniških delov in tiskanih vezij. Tiskana vezja (PCB), ki jih pogosto imenujejo "mati vseh elektronskih sistemskih izdelkov", so komponente, ki se uporabljajo v skoraj vseh elektronskih izdelkih, majhne spremembe v razvoju PCB pa pomembno vplivajo na tržne trende.
V zadnjih letih se je fokus preusmeril na uporabo keramike v običajnih tiskanih vezjih (PCB), ki so izdelana iz plastičnih epoksi smol, kot je FP4. Keramična vezja ponujajo odlično toplotno obdelavo, so enostavna za uporabo in zagotavljajo vrhunsko zmogljivost v primerjavi z nekokeramičnimi PCB-ji. Vendar številne tehnike označevanja, kot je obdelava sita, niso primerne za keramiko. Označevanje keramike s črnilom je okorno, zahteva več potrošnega materiala in ni odporno na obrabo. Zaradi krhkosti in trdote je keramika tudi eden težje označenih materialov.
Posledično so laserji v zadnjih letih postali vse pomembnejši kot alternativa tehnologiji tiskanja s črnilom in številna laserska podjetja so razvila sisteme, posebej primerne za označevanje keramike, kot so polprevodniški UV-laserji z diodnim črpanjem in običajni CO2 laserji.
"To vsekakor vključuje trend miniaturizacije," pravi Andrew May, direktor podjetja za lasersko označevanje ES Precision. Poudarja pa, da uvajanje novih tržnih trendov zahteva tudi čas: "Je vsak teden nova prijava? Ne. A pred 15 leti nismo nikoli označevali na miniaturni keramiki, zdaj pa jo."
Trend 2: Bolj prilagodljivi materiali, oblike in velikosti
Keramični markerji za elektroniko pa kljub hitri rasti trenutno niso največji trg podjetja ES Precision. "Največja industrija za nas so medicinske naprave," pravi Andrew May, "tem avtomobilska, elektronika in splošne inženirske komponente. Paleta zahtevanih izdelkov se zelo razlikuje glede na industrijo in zadevno industrijo."
Podjetje ima osem laserskih sistemov (od katerih jih pet poganja Galv), ki zagotavljajo storitve označevanja za najrazličnejše aplikacije. Zaradi tega in ker podjetje vedno dobiva nove stranke s prilagojenimi potrebami – May poudarja, da je za ES Precision sposobnost prilagodljivosti ključnega pomena.
Posledično uporablja laserje, primerne za označevanje različnih materialov, oblik in velikosti ter različnih velikosti serij. Paleta označevalcev, ki jih lahko ponudi, je prav tako raznolika kot njegova baza strank, z laserji, ki lahko proizvedejo vse od kod do grafike in podatkovnih matrik – vse pri visoki hitrosti in z visoko ponovljivostjo.
Upoštevanje te prilagodljivosti je zato nujno za proizvajalce laserskih markerjev, kot je Bluhm Systeme, pravi Antoinette Aufdermauer, urednica podjetja, ki nenehno spremlja trg in skladno s tem razvija svoje izdelke.
Njegovi sistemi za označevanje vključujejo plinske, optične in polprevodniške laserje, vključno s sistemi CO2 in YAG. Laserski markerji so impulzni in delujejo v območju valovnih dolžin od 0.355 μm do 10,6 μm. Vsak laser ima svoje značilnosti in nekaj podobnosti: CO2 laserji se lahko uporabljajo za označevanje plastike, gume, papirja in folij; vlakneni laserji so koristni za označevanje jekla in nekaterih plastičnih mas; in YAG laserji so primerni za označevanje kovin in keramike. V našem laserskem laboratoriju vnaprej obsežno testiramo vse materiale naših strank,« pravi Aufdermauer.
Prenosljivost je pomembna tudi za zagotavljanje prilagodljivosti pri laserskem označevanju, kar je idealno za industrijske stranke, pravi Aufdermauer. Iz tega razloga ima najnovejši izdelek podjetja Bluhm Systeme, "Lightworx", 20 W optični laser v kompaktni delovni postaji, ki jo je mogoče preprosto prenesti v proizvodna okolja. Sistem proizvaja "trajne, ostre in varne" oznake na kovinah in plastiki.
Trend 3: Naraščajoče povpraševanje po sledljivosti komponent
Pomemben trend na področju laserskega označevanja je tudi zagotavljanje in izpopolnjevanje sledljivosti - individualna identifikacija izdelka z unikatno identifikacijsko oznako na njegovi površini. To označevanje ima lahko različne oblike, vendar je vse bolj priljubljena in pomembna uporaba podatkovnih matrik, kot so dvodimenzionalne kode (QR kode).
Z označevanjem posameznega izdelka z lastno edinstveno podatkovno matrično kodo ga je mogoče enostavno identificirati na nevsiljiv način s ključnimi podatki, kot so proizvajalec, številka serije in življenjska doba. To zagotavlja zagotavljanje kakovosti: potrošniki in uporabniki lahko ugotovijo točno poreklo izdelka. To zagotavljanje kakovosti ustvarja neposredno povezavo med potrošnikom in proizvajalcem ter daje izdelku dodano vrednost in jim omogoča, da konkurirajo cenejši proizvodnji.
Zaradi svoje neverjetne natančnosti je laser idealen za pisanje podrobnih kod, velikih do 200 μm – premajhen, da bi ga videl nekdo mimoidoči, vendar se zlahka preveri s pametnim telefonom, če oseba pozna svojo lokacijo. Pri takšnih velikostih se podatkovne matrice lahko uporabljajo za namene preprečevanja ponarejanja, kar olajša preverjanje pristnosti visokokakovostnega blaga na nevsiljiv način. To ima velik vpliv na farmacevtsko industrijo, saj je to način za zagotovitev, da se zdravila, kot so tablete, ne proizvajajo in distribuirajo goljufivo.
Sledljivost komponent igra pomembno vlogo tudi pri uporabi kot dokaz v sodnih postopkih. Na primer, če ima nekdo medicinsko presaditev in presaditev ne uspe, mu sledljivost omogoča, da natančno ve, kaj je šlo narobe, kje je šlo narobe in v kateri seriji je šlo narobe. To zagotovo poveča učinkovitost pri stvareh, kot so odpoklici izdelkov, a stranki daje tudi več avtonomije. Morda ni očitno, toda ko se družba bolj zanima za sodne postopke, bo morala tehnologija, ki lahko izboljša sodne postopke, temu slediti.
Sledljivost prispeva tudi k drugemu trendu v proizvodnji: izboljšanju okoljske trajnosti in zmanjšanju vpliva na okolje. S sledenjem izdelku, da vedo, kdaj se pokvari, ali vedo, kdaj doseže konec svojega življenjskega cikla, lahko proizvajalci bolje proaktivno zamenjajo in reciklirajo. To tudi pomeni, da je izdelke mogoče vrniti v obnovo, kot je predvideno, tako da lahko manj opreme konča na odlagališčih.
Vendar se trenutni sistemi označevanja podatkovnih matrik soočajo s številnimi izzivi. Nekateri materiali otežujejo rokovanje - zlasti steklo in polimeri, pa tudi tanke kovine in folije. Oznaka mora biti tudi trajna in stabilna, sistem pa mora biti sposoben prilagoditi široko paleto velikosti izdelkov.
Poseben izziv za nekatere laserske markerje je označevanje na neravnih površinah. Brizgalni tiskalniki na tem področju še vedno presegajo število laserskih sistemov. Posledično si sistemski inženirji prizadevajo premagati te izzive. Laserax, proizvajalec sistemov za lasersko označevanje, na primer ponuja CO2 in laserje z vlakni s povprečno močjo 20-500 W in različnimi časi ciklov, opremljene z optiko za samodejno ostrenje za uporabo na 3D površinah, ki jo je mogoče prilagoditi na ukrivljenost predmeta. Za upoštevanje površin z neznano geometrijo Laseraxovi sistemi uporabljajo vidni sistem s samodejnim ostrenjem, ki najprej skenira 3D površino in nato med postopkom označevanja prilagodi lasersko ostrenje.
Vendar pa neravne površine niso edini izziv, s katerim se srečujejo proizvajalci sistemov za lasersko označevanje. Dr. Florent Thibaut, izvršni direktor podjetja QiOVA, proizvajalca rešitev za lasersko označevanje, pojasnjuje: »V mnogih primerih rešitve za označevanje, ki so globalno standardizirane, kot je brizgalni tiskalnik, ne morejo izpolniti zahtev, potrebnih za zagotavljanje posebnih oznak za vsak izdelek. Trenutno je običajna uporaba laserjev že na voljo kot neprekinjena metoda, tako kot uporaba peresa. Vendar to ni dovolj hitro – najti moramo rešitev, ki uravnoteži obseg proizvodnje in natančnost.«
Na zaporedno označevanje vpliva dejstvo, da se mora lasersko označevanje spreminjati za vsak izdelek, zato je ključnega pomena imeti tehnologijo označevanja, ki jo je mogoče prilagoditi za vsak izdelek. Proizvajalci zahtevajo izjemno visoko zmogljivost - označevanje se mora prilagoditi in stopnja označevanja mora biti visoka - pri tem pa se ne upoštevajo niti težave pri obdelavi določenih materialov, kot so steklo ali polimeri.
Da bi rešila to težavo, je QiOVA patentirala svojo tehnologijo VULQ1, ki je prejela nagrado za inovacije laserskih sistemov na letošnjem Laser World Photonics Industrial Production Engineering, ki se ne odloči za metodo, ki uporablja en sam neprekinjen žarek svetlobe (kot to počnejo tradicionalni sistemi za označevanje ). Namesto tega uporablja na stotine svetlobnih žarkov, da ustvari učinek, podoben žigu - v trenutku ustvari celotno kodo podatkovne matrike. Metoda, uporabljena za izdelavo tega edinstvenega žiga, je dinamično oblikovanje snopa, ki se doseže s komponentami, kot je prostorski svetlobni modulator (SLM). SLM se lahko prilagodi na osnovi posameznega posnetka, da ustvari žarke z edinstveno strukturo.
Medtem ko lahko druge tehnologije laserskega označevanja dajejo prednost visokim stopnjam ponavljanja za visoko prepustnost, QiOVA uporablja višje energije impulzov in vzporedno obdelavo za boljše rezultate.
Thibaut pravi: "Ta rešitev za označevanje, podobna žigu, sprosti ogromen potencial produktivnosti za 2D označevanje s črtno kodo in je preprosta za izvedbo."
Njegovo tehnologijo je na primer mogoče uporabiti za označevanje medicinskih delov iz PVC z 570-μm široko podatkovno matrično kodo s hitrostjo 77,000 na uro. Drugi materiali, ki jih sistem lahko označi, vključujejo aluminij, prevlečen s polimerom HDPE; natrijsko apneno steklo; borosilikatno steklo, čisto zlato in epoksi oblikovan kompozit.
Thibault dodaja: "Velikosti vzorcev so lahko majhne kot 100 μm, medtem ko ohranjajo popolnoma jasno berljivost, tudi pri označevanju v ravni črti, saj so vse pike označene hkrati." Še več, ker se ji ni treba zanašati na visoke frekvence ponavljanja, lahko QiOVA gradi sisteme z uporabo standardnih infrardečih in zelenih Nd:YAG laserjev s frekvencami ponavljanja okoli 20-30Hz, kar zagotavlja, da njeni sistemi ostanejo čim bolj stroškovno učinkovito.
Trend #4: Ultrahitri laserji spremenijo steklo v shrambo podatkov
Še eno razburljivo novo področje laserskega označevanja: shranjevanje podatkov. Raziskovalci trdijo, da lahko izdelajo učinkovite sisteme za shranjevanje podatkov z uporabo ultrahitrih laserjev za kodiranje podatkov v steklene/kristalne medije. Podatki so shranjeni v steklu/kristalu v obliki mikroablacije in ko bodo enkrat proizvedeni, se bodo lahko ohranili neverjetno dolgo časa,
Leta 2013 je Hitachi napovedal svoj prvi sistem za shranjevanje podatkov iz kvarčnih kristalov, leta 2014 pa so raziskovalci v raziskovalnem centru za optoelektroniko (ORC) Univerze v Southamptonu napovedali razvoj sistema femtosekundnega lasersko jedkanega stekla. ORC je začel sodelovati z Microsoft Research na področju "Project Silica," ki obljublja razvoj zz-odstotnega stekla. ORC je začel sodelovati z Microsoft Research na "Project Silica," ki obljublja razvoj sistemov za shranjevanje v velikosti zb in "temeljno premisliti, kako zgraditi sisteme za masovno shranjevanje.
Pisanje po steklu pa ni lahka naloga in standardni impulzni laserski sistemi UV ali CO2 lahko povzročijo mikrorazpoke – prekomerno segrevanje površine materiala lahko povzroči poškodbe na toplotnih žariščih. Čeprav se temu lahko izognete z zmanjšanjem energije impulza, ni idealno, ko je potrebna visoka natančnost. Zato se raziskovalci obračajo na ultra hitre (femtosekundne) laserske sisteme, da zmanjšajo tveganje toplotnih poškodb. Izjemno kratko trajanje visokoenergetskega impulza zagotavlja, da je materialu dovedena dovolj energije, da se označi z izjemno natančnostjo, ustvarja le minimalne toplotno prizadete cone in preprečuje mikrorazpoke.
Vendar je trenutna omejitev te tehnologije izjemno nizka hitrost zapisovanja podatkov, zapisovanje podatkov na lestvici Tb pa lahko traja več let. K sreči nenehni preboji kažejo na načine za povečanje hitrosti zapisovanja podatkov. Lansko leto so raziskovalci ORC v reviji Optica objavili energetsko učinkovito lasersko metodo pisanja: ta metoda ni le hitra, ampak lahko shrani približno 500 Tb podatkov na diske s silicijevim dioksidom velikosti CD – teh je 10,000 krat gostejši od tehnologije za shranjevanje diskov Blu-ray.
Nova metoda raziskovalcev uporablja laser z vlakni 515-nm s frekvenco ponavljanja 10 MHz in trajanjem impulza 250 fs za ustvarjanje drobnih jamic v kremenčevem steklu, ki vsebujejo posamezne nanolamelarne strukture, ki merijo samo 500 × 50 nm. Te nanostrukture visoke gostote se lahko uporabljajo za dolgoročno optično shranjevanje podatkov. Raziskovalci so dosegli hitrost zapisovanja 1,000,000 vokselov na sekundo, kar je enako zapisu približno 225 KB podatkov (več kot 100 strani besedila) na sekundo.
Nova metoda je bila uporabljena za pisanje 5 GB besedilnih podatkov na disk iz silicijevega stekla v velikosti običajnega CD-ROM-a s skoraj 100-odstotno natančnostjo branja. Vsak voksel vsebuje štiri bite informacij, pri čemer vsaka dva voksla ustrezata enemu besedilnemu znaku. Z uporabo gostote zapisa, ki jo zagotavlja metoda, bo disk lahko vseboval 500 Tb podatkov. Z nadgradnjo sistema za vzporedno pisanje bi moralo biti izvedljivo zapisati toliko podatkov v približno 60 dneh, so povedali raziskovalci.