Koji su trendovi i inovacije laserskog označavanja vrijedni pažnje za 2023.?

Od sredine-1960}ih godina laseri se koriste za izradu oznaka, graviranje i rezanje. Prvi svjetski stroj za lasersko označavanje razvijen je 1965. godine, kada je to bila budućnost bušenja rupa u kalupima za proizvodnju dijamanata, a tehnologija je kasnije dobila brzi razvoj.
Rano uvođenje CO2 lasera za označavanje dogodilo se 1967. godine, a tehnologija je dosegla zrelost sredinom -1970-og prošlog stoljeća kroz komercijalizaciju modernih CO2 laserskih sustava. Od tada su sustavi laserskog označavanja postali oslonac u širokom rasponu industrija s primjenama koje sežu od zrakoplovstva do proizvodnje medicinskih uređaja, farmaceutskih proizvoda i maloprodaje.
Koji su neki značajni trendovi i inovacije laserskog označavanja za 2023.?
Panasonic predstavlja operativnu demonstraciju svog 3D stroja za precizno lasersko označavanje vlakana kratkog pulsa (autor slike: Panasonic)
Unatoč natjecanju s drugim tehnologijama kao što je inkjet ispis, laseri su označeni kao moćna, jeftina i ponovljiva tehnologija proizvodnje označavanja. Ono što je važno, postupak je ekološki prihvatljiv i ne zahtijeva potrošne materijale (kao što su tinta, spremnici i papir).
Danas se sustavi laserskog označavanja više ne oslanjaju samo na CO2 lasere; drugi, kao što su laseri s vlaknima i Nd:YAG izvori svjetlosti u čvrstom stanju, nude manje površine, manje troškove održavanja i učinkovite alternative. Očit je i napredak u tehnološkim mogućnostima. Najbrži komercijalni strojevi za lasersko označavanje sada mogu obraditi desetke tisuća dijelova na sat.
Iako je evolucija tehnologije laserskog označavanja bila brza, proizvođači i korisnici sustava laserskog označavanja sada traže nove putove za unapređenje tehnologije označavanja kako bi odgovorili na nove izazove i poboljšali rezultate obrade.
Trend 1: Lasersko označavanje keramičkih sklopova
Ovi izazovi proizlaze iz novih materijala koje treba obraditi i novih aplikacija koje treba poslužiti - svaka od njih pokreće potrebu za rastom i inovacijama dok oblikuje tržište za razvoj laserskih sustava.
Keramika je, primjerice, jedan od najbrže rastućih materijala u laserskoj obradi, a ovaj je materijal osobito važan u proizvodnji poluvodičkih dijelova i tiskanih ploča. Često nazivane "majkom svih proizvoda elektroničkih sustava", tiskane ploče (PCB) su komponenta koja se koristi u gotovo svim elektroničkim proizvodima, a male promjene u razvoju PCB-a imaju značajan utjecaj na tržišne trendove.
Posljednjih godina fokus se pomaknuo na upotrebu keramike u konvencionalnim tiskanim pločama (PCB), koje su izrađene od plastičnih epoksidnih smola kao što je FP4. Keramičke ploče nude izvrsnu toplinsku obradu, jednostavne su za implementaciju i pružaju superiorne performanse u usporedbi s ne-keramičkim PCB-ima. Međutim, mnoge tehnike označavanja - kao što je obrada sita - nisu prikladne za keramiku. Označavanje keramike tintom je glomazno, zahtijeva nekoliko potrošnih materijala i nije otporno na abraziju. Lomljivost i tvrdoća keramike također je čine jednim od materijala koje je teže označiti.
Kao rezultat toga, laseri su postali istaknuti posljednjih godina kao alternativa tehnologiji ispisa tintom, a mnoge laserske tvrtke razvile su sustave posebno prikladne za označavanje keramike, kao što su kruti UV laseri s diodnom pumpom, kao i konvencionalni CO2 laseri.
"Ovo definitivno uključuje trend prema minijaturizaciji", kaže Andrew May, direktor tvrtke za lasersko označavanje ES Precision. Međutim, naglašava da uvođenje novih tržišnih trendova također zahtijeva vrijeme, "Postoji li nova aplikacija svaki tjedan? Ne. Ali prije 15 godina nikada nismo označavali minijaturnu keramiku, a sada to činimo."
Trend 2: Fleksibilniji materijali, oblici i veličine
Međutim, unatoč brzom rastu, keramički markeri za elektroniku trenutno nisu najveće tržište ES Precisiona. "Najveća industrija za nas su medicinski uređaji," kaže Andrew May, "zatim automobilska, elektronika i opće inženjerske komponente. Raspon potrebnih proizvoda uvelike varira ovisno o industriji i industriji o kojoj je riječ."
Tvrtka ima osam laserskih sustava (od kojih je pet Galv pogonjeno) koji pružaju usluge označavanja za široku paletu aplikacija. Zbog toga i zato što tvrtka uvijek dobiva nove klijente s prilagođenim potrebama - May naglašava da je za ES Precision sposobnost fleksibilnosti ključna.
Kao rezultat toga, koristi lasere prikladne za označavanje različitih materijala, oblika i veličina, kao i različitih veličina serija. Asortiman markera koje može ponuditi također je raznolik kao i njegova baza kupaca, s laserima koji mogu proizvesti sve, od kodova do grafike i podatkovnih matrica - sve velikom brzinom i velikom reproducibilnošću.
Održavanje ove fleksibilnosti stoga je neophodno za proizvođače laserskih markera kao što je Bluhm Systeme, kaže Antoinette Aufdermauer, urednica tvrtke koja neprestano prati tržište i razvija svoje proizvode u skladu s tim.
Njegovi sustavi označavanja uključuju plinske, optičke i lasere u čvrstom stanju, uključujući CO2 i YAG sustave. Laserski markeri su pulsirajući i rade u rasponu valnih duljina od 0.355 μm do 10,6 μm. Svaki laser ima svoje karakteristike i neke sličnosti: CO2 laseri se mogu koristiti za označavanje plastike, gume, papira i folija; vlaknasti laseri imaju prednost za označavanje čelika i neke plastike; a YAG laseri pogodni su za označavanje metala i keramike. Sve materijale naših kupaca unaprijed opsežno testiramo u našem laserskom laboratoriju," kaže Aufdermauer.
Prenosivost je također važna kako bi se osigurala fleksibilnost u operacijama laserskog označavanja, što je idealno za industrijske korisnike, kaže Aufdermauer. Iz tog razloga, najnoviji proizvod tvrtke Bluhm Systeme, "Lightworx," ima 20W fiber laser u kompaktnoj radnoj stanici koja se lako može premjestiti u proizvodna okruženja. Sustav proizvodi "trajne, oštre i otporne na neovlašteno korištenje" oznake na metalima i plastici.
Trend 3: Rastuća potražnja za sljedivosti komponenti
Drugi važan trend u području laserskog označavanja je osiguranje i usavršavanje sljedivosti - individualna identifikacija proizvoda pomoću jedinstvene identifikacijske oznake na njegovoj površini. Ovo označavanje može imati različite oblike, ali sve je popularnija i važnija upotreba podatkovnih matrica kao što su dvodimenzionalni kodovi (QR kodovi).
Označavanjem pojedinačnog proizvoda vlastitim jedinstvenim kodom matrice podataka, može se lako identificirati na nenametljiv način pomoću ključnih pojedinosti kao što su proizvođač, broj serije i vijek trajanja. Time se jamči kvaliteta: potrošači i korisnici mogu odrediti točno podrijetlo proizvoda. Ovo osiguranje kvalitete stvara izravnu vezu između potrošača i proizvođača i daje dodanu vrijednost proizvodu, omogućujući im da se natječu s jeftinijom proizvodnjom.
Zbog svoje nevjerojatne preciznosti, laser je idealan za pisanje detaljnih kodova veličine samo 200 μm - premalen da bi ga netko u prolazu vidio, ali se lako provjerava pametnim telefonom zna li osoba svoju lokaciju. U takvim veličinama, podatkovne matrice mogu se koristiti u svrhu zaštite od krivotvorina, što olakšava provjeru autentičnosti visokokvalitetne robe na nenametljiv način. To ima veliki utjecaj na farmaceutsku industriju jer je to način da se osigura da se lijekovi kao što su pilule ne proizvode i distribuiraju na lažan način.
Sljedivost komponenti također igra važnu ulogu kada se koristi kao dokaz u parnici. Na primjer, ako netko ima medicinsku transplantaciju i transplantacija ne uspije, sljedivost mu omogućuje da točno zna što je pošlo po zlu, gdje je pošlo po zlu i u kojoj je seriji pošlo po zlu. To svakako povećava učinkovitost u stvarima poput povlačenja proizvoda, ali također daje kupcu više autonomije. Možda nije očito, ali kako društvo postaje sve više zainteresirano za parnice, tehnologija koja može poboljšati presude u parnicama morat će ga pratiti.
Sljedivost također doprinosi još jednom trendu u proizvodnji: poboljšanju održivosti okoliša i smanjenju utjecaja na okoliš. Praćenjem proizvoda kako bi znali kada se pokvari ili kada je došao do kraja svog životnog ciklusa, proizvođači su sposobniji proaktivno zamijeniti i reciklirati. To također znači da se proizvodi mogu vratiti na obnovu kako je predviđeno, tako da manje opreme može završiti na odlagalištima.
Međutim, trenutni sustavi označavanja matrice podataka suočavaju se s mnogim izazovima. Određeni materijali otežavaju rukovanje - posebno staklo i polimeri, kao i tanki metali i folije. Oznaka također mora biti trajna i stabilna, a sustav mora moći primiti širok raspon veličina proizvoda.
Poseban izazov za neke laserske markere je označavanje na neravnim površinama. Inkjet pisači još uvijek nadmašuju laserske sustave u ovom području. Kao rezultat toga, inženjeri sustava rade na prevladavanju ovih izazova. Na primjer, Laserax, proizvođač sustava za lasersko označavanje, nudi CO2 i fiber lasere s prosječnom snagom od 20-500 W i različitim vremenima ciklusa, opremljene optikom za fokusiranje s automatskim podešavanjem za korištenje na 3D površinama, koja se može podešavati na zakrivljenost predmeta. Kako bi se uzele u obzir površine s nepoznatom geometrijom, Laseraxovi sustavi koriste vizualni sustav s autofokusom koji prvo skenira 3D površinu, a zatim podešava laserski fokus tijekom procesa označavanja.
Međutim, neravne površine nisu jedini izazov s kojim se suočavaju proizvođači sustava za lasersko označavanje. Dr. Florent Thibaut, izvršni direktor tvrtke QiOVA, proizvođača rješenja za lasersko označavanje, objašnjava: "U mnogim slučajevima rješenja za označavanje koja su standardizirana na globalnoj razini, kao što je inkjet, ne mogu zadovoljiti zahtjeve potrebne za pružanje specifičnih oznaka za svaki proizvod. Trenutačno je uobičajena uporaba lasera već dostupna kao kontinuirana metoda, baš kao i korištenje olovke. Međutim, to nije dovoljno brzo - moramo pronaći rješenje koje uravnotežuje obujam proizvodnje i točnost."
Na sekvencijsko označavanje utječe činjenica da se lasersko označavanje mora mijenjati za svaki proizvod, stoga je ključno imati tehnologiju označavanja koja se može prilagoditi za svaki proizvod. Proizvođači zahtijevaju izuzetno veliku propusnost - označavanje se mora prilagoditi i stopa označavanja mora biti visoka - a to čak ne uzima u obzir poteškoće obrade određenih materijala kao što su staklo ili polimeri.
Kako bi riješila ovaj problem, QiOVA je patentirala svoju VULQ1 tehnologiju, koja je osvojila nagradu za inovacije laserskih sustava na ovogodišnjem Laser World Photonics Industrial Production Engineering, koja se ne odlučuje za metodu koja koristi jednu, kontinuiranu zraku svjetlosti (kao što to rade tradicionalni sustavi označavanja ). Umjesto toga, koristi stotine svjetlosnih zraka kako bi proizveo učinak poput pečata - generirajući cijeli kod matrice podataka u trenu. Metoda koja se koristi za izradu ovog jedinstvenog pečata je dinamičko oblikovanje snopa, koje se postiže korištenjem komponenti kao što je prostorni modulator svjetla (SLM). SLM se može prilagoditi na temelju snimka kako bi stvorio snopove s jedinstvenom strukturom.
Dok druge tehnologije laserskog označavanja mogu dati prioritet visokim stopama ponavljanja za visoku propusnost, QiOVA koristi više energije pulsa i paralelnu obradu za bolje rezultate.
Thibaut kaže: "Ovo rješenje za označavanje poput pečata otključava ogroman potencijal produktivnosti za 2D označavanje barkodom i jednostavno ga je implementirati."
Na primjer, njegova se tehnologija može upotrijebiti za označavanje medicinskih dijelova od PVC-a s 570-μm širokim podatkovnim matričnim kodom brzinom od 77,000 po satu. Ostali materijali koje sustav može označiti uključuju aluminij presvučen HDPE polimerom; soda-vapneno staklo; borosilikatno staklo, čisto zlato i epoksi lijevani kompozit.
Thibault dodaje: "Veličine uzorka mogu biti samo 100 μm, a istovremeno održavaju savršeno jasnu čitljivost, čak i kada označavaju u ravnoj liniji, budući da su sve točke označene istovremeno." Štoviše, budući da se ne mora oslanjati na visoke frekvencije ponavljanja, QiOVA može izgraditi sustave koristeći gotove infracrvene i zelene Nd:YAG lasere s frekvencijama ponavljanja od oko 20-30Hz, osiguravajući da njezini sustavi ostanu što je moguće isplativije.
Trend #4: Ultrabrzi laseri pretvaraju staklo u pohranu podataka
Još jedno uzbudljivo novo područje laserskog označavanja: pohrana podataka. Istraživači tvrde da mogu proizvesti učinkovite sustave za pohranu podataka korištenjem ultrabrzih lasera za kodiranje podataka u staklene/kristalne medije. Podaci se pohranjuju u staklu/kristalu u obliku mikroablacije, a jednom proizvedeni, moći će se sačuvati nevjerojatno dugo,
Godine 2013. Hitachi je najavio svoj prvi sustav za pohranu podataka s kvarcnim kristalom, a 2014. istraživači iz Istraživačkog centra za optoelektroniku (ORC) Sveučilišta u Southamptonu najavili su razvoj femtosekundnog laserski ugraviranog staklenog sustava. ORC je započeo suradnju s Microsoft Research na "Project Silica", koji obećava razvoj zz-postotnog stakla. ORC je započeo suradnju s Microsoftovim istraživanjem na "Project Silica", koji obećava razvoj sustava za pohranu u zb mjerilu i "iz temelja preispitati kako izgraditi sustave za masovnu pohranu.
Međutim, pisanje po staklu nije lak zadatak, a standardni pulsirajući UV ili CO2 laserski sustavi mogu stvoriti mikropukotine - prekomjerno zagrijavanje površine materijala može dovesti do oštećenja toplinskih vrućih točaka. Iako se to može zaobići smanjenjem energije pulsa, to nije idealno kada je potrebna velika preciznost. Zato se istraživači okreću ultrabrzim (femtosekundnim) laserskim sustavima kako bi smanjili rizik od toplinskog oštećenja. Ultrakratko trajanje visokoenergetskog pulsa osigurava da se dovoljno energije isporuči materijalu za označavanje s ekstremnom preciznošću, stvarajući samo minimalne zone pod utjecajem topline i izbjegavajući mikropukotine.
Međutim, trenutačno ograničenje ove tehnologije je izuzetno niska stopa kojom se podaci mogu pisati, a pisanje podataka na Tb skali može trajati godinama. Srećom, tekuća otkrića sugeriraju načine za povećanje brzine pisanja podataka. Prošle su godine istraživači ORC-a objavili energetski učinkovitu metodu laserskog pisanja u časopisu Optica: ne samo da je ova metoda brza, već može pohraniti oko 500 Tb podataka na silika diskove veličine CD-a - njih je 10,000 puta gušći od Blu-ray Disc tehnologije pohrane.
Nova metoda istraživača koristi 515-nm vlaknasti laser s frekvencijom ponavljanja od 10 MHz i trajanjem impulsa od 250 fs za stvaranje sićušnih udubljenja u silikatnom staklu, koje sadrže pojedinačne nanolamelarne strukture veličine samo 500 × 50 nm. Ove nanostrukture visoke gustoće mogu se koristiti za dugotrajnu optičku pohranu podataka. Istraživači su postigli brzinu pisanja od 1,000,000 voksela u sekundi, što je ekvivalentno snimanju oko 225 KB podataka (više od 100 stranica teksta) u sekundi.
Nova metoda korištena je za pisanje 5 GB tekstualnih podataka na silikonski stakleni disk veličine uobičajenog CD-ROM-a s gotovo 100-postotnom točnošću čitanja. Svaki voksel sadrži četiri bita informacija, pri čemu svaka dva voksela odgovaraju jednom tekstualnom znaku. Koristeći gustoću pisanja koju pruža metoda, disk će moći držati 500 Tb podataka. Nadogradnjom sustava za paralelno pisanje, trebalo bi biti moguće zapisati toliko podataka u otprilike 60 dana, rekli su istraživači.