Sedan mitten av-1960talet har lasrar använts för att göra märken, etsa och skära. Världens första lasermarkeringsmaskin utvecklades 1965 för framtida borrning av hål i diamanttillverkningsformar, och tekniken tog därefter snabbt fart.
Den tidiga introduktionen avCO2-lasrar för märkninginträffade 1967, och tekniken nådde mognad i mitten av-1970talet genom kommersialiseringen av moderna CO2-lasersystem. Sedan dess har lasermärkningssystem blivit en stöttepelare i ett brett spektrum av industrier från flyg- och rymdindustrin till tillverkning av medicintekniska produkter, läkemedel och detaljhandel.
Trots att de konkurrerar med andra tekniker som bläckstråleutskrift, har lasrar stämplats som en kraftfull, billig och repeterbar markeringsteknik. Viktigt är att processen är miljövänlig och kräver inga förbrukningsvaror (som bläck, patroner och papper). Nu förlitar sig inte lasermarkeringssystem enbart på CO2-lasrar; andra, såsom fiberlasrar och Nd: YAG solid-state ljuskällor, erbjuder mindre fotavtryck, lägre underhållskostnader och effektiva alternativ; och framsteg inom teknisk kapacitet är uppenbara. De snabbaste kommersiella lasermarkeringsmaskinerna kan nu bearbeta tiotusentals delar per timme.
Medan utvecklingen av lasermärkningsteknik har varit snabb, letar tillverkare och användare av lasermärkningssystem nu efter nya vägar för att tänja på gränserna för märkningsteknik för att möta nya utmaningar och förbättra bearbetningsresultaten.
Keramisk krets lasermärkning
Dessa utmaningar kommer från nya material som ska bearbetas och nya applikationer som ska användas - var och en driver behovet av tillväxt och innovation samtidigt som marknaden formar marknaden för lasersystemutveckling.
Till exempel,keramikär ett av de snabbast växande materialen inom laserbearbetning, och detta material är särskilt viktigt vid tillverkning av halvledardelar och kretskort. Ofta kallade "modern till alla elektroniska systemprodukter" är tryckta kretskort (PCB) en komponent som används i praktiskt taget alla elektroniska produkter, och små förändringar i PCB-utvecklingen har en betydande inverkan på marknadstrender.
Under de senaste åren har fokus flyttats till användningen av keramik i konventionella kretskort (PCB), som är gjorda av plastepoxihartser som FP4. Keramiska kretskort erbjuder utmärkt värmebehandlingsförmåga, är lätta att implementera och ger överlägsen prestanda jämfört med icke-keramiska PCB. Emellertid är många märkningstekniker, som skärmbearbetning, inte lämpliga för keramik. Bläckmärkning av keramik är besvärlig, kräver flera förbrukningsmaterial och är inte nötningsbeständig. Keramikens sprödhet och hårdhet gör dem också till ett av de svårare materialen att märka.
Som ett resultat har lasrar blivit framträdande under de senaste åren som ett alternativ till bläckutskriftsteknik, och många laserföretag har utvecklat system som är särskilt lämpade för keramiska märkningar, såsom diodpumpade solid-state UV-lasrar, såväl som konventionella CO2 lasrar.
"Detta inkluderar en trend mot miniatyrisering", säger Andrew May, chef för ett lasermärkningsföretag. Han betonar dock att det tar tid att introducera nya marknadstrender också, "Finns det en ny applikation varje vecka? Nej. Men för 15 år sedan markerade vi aldrig miniatyrkeramik, och nu gör vi det."
Mer flexibla material, former och storlekar
Men trots sin snabba tillväxt är keramisk märkning inom elektronik för närvarande inte lasermärkningsföretagets största marknad. "Den största industrin för oss är medicintekniska produkter," säger Andrew May, "sedan bil-, elektronik- och allmänna tekniska komponenter. Utbudet av produkter som krävs varierar mycket beroende på branschen och branschen i fråga."
Företaget har åtta lasersystem (varav fem är Galv-drivna) som tillhandahåller märkningstjänster för en mängd olika applikationer. På grund av detta, och eftersom företaget ständigt skaffar nya kunder med skräddarsydda krav – betonar May att förmågan att vara flexibel är avgörande. Som ett resultat använder den lasrar som är lämpliga för att markera olika material, former och storlekar, såväl som olika batchstorlekar. Utbudet av markörer som den kan erbjuda är också lika mångsidigt som dess kundbas, med sina lasrar som kan producera allt från koder till grafik och datamatriser - allt med höga hastigheter och med hög reproducerbarhet.
Att tillgodose denna flexibilitet är därför en nödvändighet för tillverkare av lasermärkningsmaskiner som t.exBluhm Systeme.
Efterfrågan på komponentspårbarhet ökar
En annan viktig trend inom området för lasermärkning är försäkran och förfining av spårbarhet - den individuella identifieringen av en produkt med hjälp av ett unikt identifieringsmärke på dess yta. Denna märkning kan ta många former, men allt populärare och viktigare är användningen av datamatriser som tvådimensionella koder (QR-koder).
Genom att märka en enskild produkt med sin egen unika datamatriskod kan den enkelt identifieras på ett icke-påträngande sätt med nyckeldetaljer som tillverkare, batchnummer och livslängd. Detta ger kvalitetssäkring: konsumenter och användare kan fastställa det exakta ursprunget för en produkt. Denna kvalitetssäkring skapar en direkt koppling mellan konsumenten och tillverkaren och ger ett mervärde till produkten, vilket gör att de kan konkurrera med tillverkning till lägre kostnader. På grund av sin otroliga precision är lasern idealisk för att skriva detaljerade koder så små som 200 μm i storlek - för liten för att ses av någon som går förbi, men kontrolleras enkelt med en smartphone om en person vet var den befinner sig. Vid sådana storlekar kan datamatriser användas för anti-förfalskning, vilket gör det enkelt att kontrollera äktheten av högkvalitativa varor på ett icke-påträngande sätt. Detta har en enorm inverkan på läkemedelsindustrin eftersom det är ett sätt att säkerställa att läkemedel som piller inte produceras och distribueras på ett bedrägligt sätt.
Komponentspårbarhet spelar också en viktig roll när den används som bevis i rättstvister. Till exempel, om någon har en medicinsk transplantation och transplantationen misslyckas, gör spårbarheten att de kan veta exakt vad som gick fel, var det gick fel och i vilken batch det gick fel. Detta ökar verkligen effektiviteten i saker som produktåterkallelser, men det ger också kunden mer självständighet. Det kanske inte är självklart, men i takt med att samhället blir mer intresserad av rättstvister måste tekniken som kan förstärka domar i rättstvister hänga med.
Spårbarhet bidrar också till en annan trend inom tillverkning: förbättra miljömässig hållbarhet och minska ekologisk påverkan. Genom att spåra en produkt för att veta när den misslyckas, eller veta när den når slutet av sin livscykel, är tillverkare bättre i stånd att proaktivt ersätta och återvinna. Det innebär också att produkter kan returneras för renovering som avsett, så att mindre utrustning kan hamna på deponier.
Men nuvarande datamatrismärkningssystem står inför många utmaningar. Vissa material försvårar hanteringen - särskilt glas och polymerer, samt tunna metaller och folier. Märkningen ska också vara permanent och stabil och systemet ska kunna rymma ett brett utbud av produktstorlekar.
En speciell utmaning för vissa lasermarkeringsmaskiner är märkning på icke-plana ytor. Bläckstråleskrivare är fortfarande fler än laserbaserade system på detta område. Som ett resultat arbetar systemingenjörer för att övervinna dessa utmaningar. Till exempel erbjuder vissa tillverkare av lasermarkeringssystem CO2- och fiberlasrar med en genomsnittlig effekt på 20-500 W och varierande cykeltider, utrustade med autojusterande fokusoptik för användning på 3D-ytor som kan justeras efter krökningen av objektet. För att ta hänsyn till ytor med okända geometrier använder systemen ett autofokus visionsystem som först skannar 3D-ytan och sedan justerar laserfokuset under märkningsprocessen.
Men icke-plana ytor är inte den enda utmaningen som tillverkare av lasermärkningssystem står inför. Dr. Florent Thibaut, VD för en tillverkare av lasermärkningslösningar, förklarar, "I många fall kan märkningslösningar som är standardiserade globalt, såsom bläckstråleskrivare, inte uppfylla de krav som krävs för att tillhandahålla ett specifikt märke för varje produkt. För närvarande , den vanliga användningen av laser är redan tillgänglig som en kontinuerlig metod, precis som att använda en penna. Detta är dock inte tillräckligt snabbt - vi måste hitta en lösning som balanserar produktionsvolym och noggrannhet."
Sekventiell märkning påverkas eftersom lasermärkning måste ändras för varje produkt, så att ha en märkningsteknik som kan anpassas till varje produkt är avgörande. Tillverkare kräver extremt hög genomströmning - märkningen måste anpassas och märkningshastigheten måste vara hög - och detta tar inte ens hänsyn till svårigheterna med att bearbeta vissa material som glas eller polymerer.
För att lösa detta problem har en tillverkare av lasermärkningslösningar patenterat sin VULQ1-teknologi, som vann Laser Systems Innovation Award vid årets Laser World Photonics Industrial Production Engineering, som inte väljer att använda en kontinuerlig ljusstråle (som är fodral med konventionella märkningssystem). Istället använder den hundratals ljusstrålar för att producera en stämpelliknande effekt - producerar en hel datamatriskod på ett ögonblick. Metoden som används för att producera denna unika stämpel är dynamisk strålformning, som åstadkoms med hjälp av komponenter som Spatial Light Modulator (SLM), som kan justeras per skott för att skapa strålar med en unik struktur.
Medan andra lasermarkeringsteknologier kan prioritera höga repetitionsfrekvenser för hög genomströmning, använder denna teknik högre pulsenergi och parallell bearbetning för bättre resultat.
Thibaut säger, "Detta stämpelliknande märkningssystem låser upp en enorm produktivitetspotential för 2D-streckkodsmärkning och är enkel att implementera."
Till exempel kan dess teknologi användas för att märka medicinska PVC-delar med en 570-μm bred datamatriskod med en hastighet av 77,000 per timme. Andra material som systemet kan märka inkluderar aluminium belagd med HDPE-polymer; soda-lime glas; borosilikatglas, rent guld och gjuten epoxikomposit.
Thibault tillägger, "Mönsterstorlekar kan vara så små som 100 μm samtidigt som de bibehåller perfekt läsbarhet, även när du markerar i en rak linje, eftersom alla punkter är markerade samtidigt." Dessutom, eftersom den inte behöver förlita sig på höga repetitionsfrekvenser, kan tekniken bygga system med infraröda och gröna Nd: YAG-lasrar från hyllan med repetitionsfrekvenser på runt 20-30Hz, vilket säkerställer att dess system förbli så kostnadseffektiv som möjligt.
Ultrasnabb laser förvandlar glas till datalagring
Ett annat spännande nytt område inom lasermärkning är datalagring. Forskare hävdar att de kan producera effektiva datalagringssystem genom att använda ultrasnabba lasrar för att koda data till glas-/kristallmedia. Data lagras i glas/kristall i form av mikroablation, och när den väl är framtagen kommer den att kunna bevaras under en otrolig lång tid.
Under 2013,Hitachitillkännagav sitt första datalagringssystem för kvartskristaller, och 2014 tillkännagav forskare vid University of Southamptons Optoelectronics Research Center (ORC) sin utveckling av ett femtosekund laseretsat glassystem. ORC har börjat samarbeta med Microsoft Research om "Project Silica" ORC har börjat arbeta med Microsoft Research om "Project Silica", som lovar att utveckla lagringssystem i zb-skala och "fundamentalt ompröva hur man bygger masslagringssystem.
Att skriva på glas är dock ingen lätt uppgift, och vanliga pulsade UV- eller CO2-lasersystem kan skapa mikrosprickor - överdriven uppvärmning av materialets yta kan leda till skador vid termiska hot spots. Även om detta kan kringgås genom att minska pulsenergin, är det inte idealiskt när hög precision krävs. Det är därför forskare vänder sig till ultrasnabba (femtosekund) lasersystem för att minimera risken för termiska skador. Den ultrakorta varaktigheten av högenergipulsen säkerställer att tillräckligt med energi levereras till materialet för att markera det med extrem precision, vilket endast skapar minimala värmepåverkade zoner och undviker mikrosprickor.
Den nuvarande begränsningen för denna teknik är den extremt låga hastigheten för dataskrivning, och skrivning av data i Tb-skala kan ta år att slutföra. Tack och lov föreslår pågående genombrott sätt att öka dataskrivhastigheten. Förra året publicerade ORC-forskare en energieffektiv laserskrivmetod i tidskriften Optica: den här metoden är inte bara snabb, utan den kan lagra cirka 500 Tb data på kiselskivor i CD-storlek – de är 10,000 gånger tätare än Blu-ray Disc-lagringsteknik.
Forskarnas nya metod använder en 515 nm fiberlaser med en repetitionsfrekvens på 10 MHz och en pulslängd på 250 fs för att skapa små gropar i kiselglaset, som innehåller individuella nanolaminära strukturer som endast mäter 500 × 50 nm. Dessa nanostrukturer med hög densitet kan användas för långtidslagring av optisk data. Forskarna uppnådde en skrivhastighet på 1,000,000 voxel per sekund, vilket motsvarar att spela in cirka 225 KB data (mer än 100 sidor text) per sekund.
Den nya metoden användes för att skriva 5 GB textdata på en kiselglasskiva storleken på en vanlig CD-ROM med nästan 100 % läsnoggrannhet. Varje voxel innehåller fyra informationsbitar, där varannan voxel motsvarar ett texttecken. Genom att använda skrivtätheten som tillhandahålls av metoden kommer skivan att kunna rymma 500 Tb data. Genom att uppgradera systemet för parallellskrivning borde det vara möjligt att skriva så mycket data på cirka 60 dagar, sa forskarna.
