Siden midten av-1960årene har lasere blitt brukt til å lage merke, etse og kutte. Verdens første lasermerkingsmaskin ble utviklet i 1965 for fremtidig boring av hull i diamantfremstillingsformer, og teknologien skjøt raskt fart.
Den tidlige introduksjonen avCO2-lasere for merkingskjedde i 1967, og teknologien ble modenhet på midten av-1970årene gjennom kommersialiseringen av moderne CO2-lasersystemer. Siden den gang har lasermarkeringssystemer blitt en bærebjelke i et bredt spekter av bransjer fra romfart til produksjon av medisinsk utstyr, farmasøytiske produkter og detaljhandel.
Til tross for å konkurrere med andre teknologier som blekkskriving, har lasere blitt stemplet som en kraftig, rimelig og repeterbar markeringsteknologi. Viktigere er at prosessen er miljøvennlig og krever ingen forbruksvarer (som blekk, patroner og papir). Nå er lasermarkeringssystemer ikke lenger bare avhengige av CO2-lasere; andre, som fiberlasere og Nd: YAG solid-state lyskilder, tilbyr mindre fotavtrykk, lavere vedlikeholdskostnader og effektive alternativer; og fremskritt innen teknologiske evner er tydelige. De raskeste kommersielle lasermerkingsmaskinene kan nå behandle titusenvis av deler i timen.
Mens utviklingen av lasermerkingsteknologi har vært rask, leter produsenter og brukere av lasermerkesystemer nå etter nye ruter for å flytte grensene for merketeknologi for å møte nye utfordringer og forbedre behandlingsresultatene.
Keramisk krets lasermerking
Disse utfordringene kommer fra nye materialer som skal behandles, og nye applikasjoner som skal betjenes - hver driver behovet for vekst og innovasjon samtidig som de former markedet for lasersystemutvikling.
For eksempel,keramikker et av de raskest voksende materialene innen laserbehandling, og dette materialet er spesielt viktig ved fremstilling av halvlederdeler og kretskort. Ofte referert til som "moderen til alle elektroniske systemprodukter", er kretskort (PCB) en komponent som brukes i praktisk talt alle elektroniske produkter, og små endringer i PCB-utviklingen har en betydelig innvirkning på markedstrender.
De siste årene har fokus flyttet til bruk av keramikk i konvensjonelle kretskort (PCB), som er laget av plastepoksyharpikser som FP4. Keramiske kretskort tilbyr utmerket varmebehandling, er enkle å implementere og gir overlegen ytelse sammenlignet med ikke-keramiske PCB. Imidlertid er mange merketeknikker - som skjermbehandling ikke egnet for keramikk. Blekkmerking av keramikk er tungvint, krever flere forbruksvarer, og er ikke motstandsdyktig mot slitasje. Sprøheten og hardheten til keramikk gjør dem også til et av de vanskeligere materialene å merke.
Som et resultat har lasere blitt fremtredende de siste årene som et alternativ til blekkutskriftsteknologi, og mange laserbedrifter har utviklet systemer spesielt egnet for keramiske merker, som diodepumpede solid-state UV-lasere, samt konvensjonell CO2 lasere.
"Dette inkluderer en trend mot miniatyrisering," sier Andrew May, direktør for et lasermerkingsfirma. Han understreker imidlertid at det tar tid å introdusere nye markedstrender også, "Er det en ny applikasjon hver uke? Nei. Men for 15 år siden merket vi aldri miniatyrkeramikk, og nå gjør vi det."
Mer fleksible materialer, former og størrelser
Til tross for den raske veksten er imidlertid ikke keramisk merking innen elektronikk for øyeblikket lasermerkingsselskapets største marked. "Den største industrien for oss er medisinsk utstyr," sier Andrew May, "deretter bil-, elektronikk- og generelle ingeniørkomponenter. Utvalget av produkter som kreves varierer sterkt avhengig av bransjen og bransjen det gjelder."
Selskapet har åtte lasersystemer (hvorav fem er Galv-drevne) som tilbyr merkingstjenester for en rekke bruksområder. På grunn av dette, og fordi selskapet alltid skaffer nye kunder med skreddersydde krav – understreker May at evnen til å være fleksibel er avgjørende. Som et resultat bruker den lasere som er egnet for merking av forskjellige materialer, former og størrelser, så vel som forskjellige batchstørrelser. Utvalget av markører den kan tilby er også like mangfoldig som kundebasen, med lasere som er i stand til å produsere alt fra koder til grafikk og datamatriser – alt i høye hastigheter og med høy reproduserbarhet.
Å ta hensyn til denne fleksibiliteten er derfor en nødvendighet for produsenter av lasermerkingsmaskiner som f.eksBluhm Systeme.
Etterspørselen etter komponentsporbarhet er økende
En annen viktig trend innen lasermerking er forsikring og forfining av sporbarhet - individuell identifikasjon av et produkt ved hjelp av et unikt identifikasjonsmerke på overflaten. Denne merkingen kan ha mange former, men stadig mer populær og viktig er bruken av datamatriser som todimensjonale koder (QR-koder).
Ved å merke et individuelt produkt med sin egen unike datamatrisekode, kan det enkelt identifiseres på en ikke-påtrengende måte med nøkkeldetaljer som produsent, batchnummer og levetid. Dette gir kvalitetssikring: forbrukere og brukere kan bestemme den eksakte opprinnelsen til et produkt. Denne kvalitetssikringen skaper en direkte kobling mellom forbrukeren og produsenten og gir merverdi til produktet, slik at de kan konkurrere med billigere produksjon. På grunn av sin utrolige presisjon er laseren ideelt egnet til å skrive detaljerte koder så små som 200 μm i størrelse – for liten til å bli sett av noen som går forbi, men sjekkes enkelt med en smarttelefon hvis en person vet hvor de befinner seg. Ved slike størrelser kan datamatriser brukes til anti-forfalskningsformål, noe som gjør det enkelt å kontrollere ektheten til varer av høy kvalitet på en ikke-påtrengende måte. Dette har en enorm innvirkning på den farmasøytiske industrien da det er en måte å sikre at medisiner som piller ikke produseres og distribueres uredelig.
Komponentsporbarhet spiller også en viktig rolle når den brukes som bevis i rettssaker. For eksempel, hvis noen har en medisinsk transplantasjon og transplantasjonen mislykkes, lar sporbarhet dem vite nøyaktig hva som gikk galt, hvor det gikk galt, og i hvilken batch det gikk galt. Dette øker absolutt effektiviteten i ting som tilbakekalling av produkter, men det gir også kunden mer autonomi. Det er kanskje ikke åpenbart, men etter hvert som samfunnet blir mer interessert i rettssaker, vil teknologien som kan forbedre rettstvistsdommer måtte følge med.
Sporbarhet bidrar også til en annen trend på tvers av produksjon: å forbedre miljømessig bærekraft og redusere økologisk påvirkning. Ved å spore et produkt for å vite når det feiler, eller vite når det når slutten av livssyklusen, er produsenter bedre i stand til å proaktivt erstatte og resirkulere. Dette betyr også at produkter kan returneres for oppussing etter hensikten, slik at mindre utstyr kan havne på søppelfyllinger.
Men dagens datamatrisemerkingssystemer står overfor mange utfordringer. Enkelte materialer gjør håndteringen vanskeligere - spesielt glass og polymerer, samt tynne metaller og folier. Merkingen skal også være permanent og stabil, og systemet skal kunne romme et bredt spekter av produktstørrelser.
En spesiell utfordring for noen lasermarkeringsmaskiner er merking på ikke-plane overflater. Blekkskrivere er fortsatt flere enn laserbaserte systemer på dette området. Som et resultat jobber systemingeniører med å overvinne disse utfordringene. For eksempel tilbyr noen produsenter av lasermarkeringssystemer CO2- og fiberlasere med en gjennomsnittlig effekt på 20-500 W og varierende syklustider, utstyrt med autojusterende fokuseringsoptikk for bruk på 3D-overflater som kan justeres til krumningen til objektet. For å ta hensyn til overflater med ukjente geometrier, bruker systemene et autofokussynssystem som først skanner 3D-overflaten og deretter justerer laserfokuset under markeringsprosessen.
Ikke-flate overflater er imidlertid ikke den eneste utfordringen produsenter av lasermerkingssystemer står overfor. Dr. Florent Thibaut, administrerende direktør for en produsent av lasermerkingsløsninger, forklarer: "I mange tilfeller kan ikke merkeløsninger som er standardisert globalt, for eksempel blekkskriver, oppfylle kravene som kreves for å gi et spesifikt merke for hvert produkt. For øyeblikket , vanlig bruk av lasere er allerede tilgjengelig som en kontinuerlig metode, akkurat som å bruke en penn. Dette er imidlertid ikke raskt nok - vi må finne en løsning som balanserer produksjonsvolum og nøyaktighet."
Sekvensiell merking påvirkes fordi lasermerking må endres for hvert produkt, så det er avgjørende å ha en merketeknologi som kan tilpasses hvert produkt. Produsenter krever ekstremt høy gjennomstrømning - merkingen må tilpasses og merkingshastigheten må være høy - og dette tar ikke engang hensyn til vanskelighetene med å behandle visse materialer som glass eller polymerer.
For å løse dette problemet har en produsent av lasermerkingsløsninger patentert sin VULQ1-teknologi, som vant Laser Systems Innovation Award ved årets Laser World Photonics Industrial Production Engineering, som ikke velger bruk av én kontinuerlig lysstråle (som er etui med konvensjonelle merkesystemer). I stedet bruker den hundrevis av lysstråler for å produsere en stempellignende effekt – og produserer en hel datamatrisekode på et øyeblikk. Metoden som brukes for å produsere dette unike stempelet er dynamisk stråleforming, som oppnås ved hjelp av komponenter som Spatial Light Modulator (SLM), som kan justeres på per-shot-basis for å lage stråler med en unik struktur.
Mens andre lasermarkeringsteknologier kan prioritere høye repetisjonshastigheter for høy gjennomstrømning, bruker denne teknologien høyere pulsenergi og parallell prosessering for bedre resultater.
Thibaut sier: "Denne stempellignende merkeordningen låser opp et enormt produktivitetspotensial for 2D-strekkodemerking og er enkel å implementere."
Teknologien kan for eksempel brukes til å merke medisinske PVC-deler med en 570-μm bred datamatrisekode med en hastighet på 77,000 per time. Andre materialer systemet kan merke inkluderer aluminium belagt med HDPE-polymer; brus-lime glass; borosilikatglass, rent gull og epoksystøpt kompositt.
Thibault legger til, "Mønsterstørrelser kan være så små som 100 μm mens de opprettholder perfekt lesbarhet, selv når du markerer i en rett linje, siden alle prikker er merket samtidig." I tillegg, fordi den ikke trenger å stole på høye repetisjonsfrekvenser, kan teknologien bygge systemer ved hjelp av infrarøde og grønne Nd: YAG-lasere med repetisjonsfrekvenser på rundt 20-30Hz, som sikrer at systemene deres forbli så kostnadseffektiv som mulig.
Ultrarask laser gjør glass til datalagring
Et annet spennende nytt område innen lasermerking er datalagring. Forskere hevder at de kan produsere effektive datalagringssystemer ved å bruke ultraraske lasere for å kode data inn i glass/krystallmedier. Data lagres i glass/krystall i form av mikroablasjon, og når de først er produsert, vil de kunne bevares i utrolig lang tid.
I 2013,Hitachikunngjorde sitt første datalagringssystem for kvartskrystall, og i 2014 kunngjorde forskere ved University of Southamptons Optoelectronics Research Center (ORC) sin utvikling av et femtosekund laser-etset glasssystem. ORC har begynt å samarbeide med Microsoft Research om «Project Silica» ORC har begynt å samarbeide med Microsoft Research om «Project Silica», som lover å utvikle lagringssystemer i zb-skala og «fundamentalt revurdere hvordan man bygger masselagringssystemer.
Å skrive på glass er imidlertid ingen enkel oppgave, og standard pulserende UV- eller CO2-lasersystemer kan skape mikrosprekker - overdreven oppvarming av materialets overflate kan føre til skade ved termiske varmepunkter. Selv om dette kan omgås ved å redusere pulsenergien, er det ikke ideelt når det kreves høy presisjon. Dette er grunnen til at forskere tyr til ultraraske (femtosekund) lasersystemer for å minimere risikoen for termisk skade. Den ultrakorte varigheten av høyenergipulsen sikrer at nok energi leveres til materialet til å markere det med ekstrem presisjon, og skaper kun minimale varmepåvirkede soner og unngår mikrosprekker.
Den nåværende begrensningen for denne teknologien er den ekstremt lave hastigheten på dataskriving, og skriving av Tb-skala data kan ta år å fullføre. Heldigvis foreslår pågående gjennombrudd måter å øke dataskrivingshastighetene på. I fjor publiserte ORC-forskere en energieffektiv laserskrivemetode i tidsskriftet Optica: ikke bare er denne metoden rask, men den kan lagre omtrent 500 Tb med data på CD-størrelse silika-plater – de er 10,000 ganger tettere enn Blu-ray Disc-lagringsteknologi.
Forskernes nye metode bruker en 515 nm fiberlaser med en repetisjonsfrekvens på 10 MHz og en pulsvarighet på 250 fs for å lage bittesmå groper i silikaglasset, som inneholder individuelle nanolaminære strukturer som kun måler 500 × 50 nm. Disse nanostrukturene med høy tetthet kan brukes til langsiktig optisk datalagring. Forskerne oppnådde en skrivehastighet på 1,000,000 voxels per sekund, noe som tilsvarer å registrere omtrent 225 KB med data (mer enn 100 sider med tekst) per sekund.
Den nye metoden ble brukt til å skrive 5 GB tekstdata på en silisiumglassdisk på størrelse med en vanlig CD-ROM med nesten 100 % lesenøyaktighet. Hver voxel inneholder fire biter med informasjon, med hver to voxel som tilsvarer ett teksttegn. Ved å bruke skrivetettheten gitt av metoden, vil platen kunne holde 500 Tb med data. Ved å oppgradere systemet for parallellskriving bør det være mulig å skrive så mye data på omtrent 60 dager, sa forskerne.
