1 Πρόλογος
Στα τέλη της δεκαετίας του 1970 και στις αρχές της δεκαετίας του 1980, μια ολοκαίνουργια-τεχνολογία εφαρμογής λέιζερ-τεχνολογία σήμανσης λέιζερ-εμφανίστηκε αθόρυβα στη διεθνή σκηνή. Η μηχανή σήμανσης λέιζερ αντιπροσωπεύει μια σημαντική εφαρμογή των αρχών επεξεργασίας λέιζερ. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιεί μια επεξεργασμένη δέσμη λέιζερ για να ακτινοβολήσει την επιφάνεια ενός υλικού. Η φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται στιγμιαία σε θερμική ενέργεια, με αποτέλεσμα το υλικό της επιφάνειας να λιώσει ή ακόμα και να εξατμιστεί σε μια στιγμή, δημιουργώντας έτσι σημάδια που αποτελούνται από κείμενο, σχέδια και άλλα στοιχεία.
2 Πεδία Εφαρμογής και Πλεονεκτήματα της Σήμανσης με Λέιζερ
Στον βιομηχανικό τομέα, υπήρξε μια σταδιακή μετάβαση από την ηλεκτρική επεξεργασία στην εποχή της οπτικής επεξεργασίας. Οι μηχανές σήμανσης λέιζερ είναι εξαιρετικά ευέλικτες, προσφέρουν εξαιρετικά αποτελέσματα και σταθερότητα, και κατά συνέπεια έχουν βρει ευρεία εφαρμογή σε πολλούς τομείς. Μπορούν να χαράξουν διάφορα μεταλλικά υλικά-καθώς και ορισμένα μη{3}μημεταλλικά υλικά-ή να δημιουργήσουν μόνιμες, αντι-παραχαραγμένες σημάνσεις που είναι εξαιρετικά δύσκολο να αναπαραχθούν. Με τη διευκόλυνση των συστημάτων εισόδου και εξόδου υπολογιστή και με χρήση μηχανισμού σάρωσης γαλβανομέτρου, αυτά τα μηχανήματα επιτυγχάνουν γρήγορες ταχύτητες επεξεργασίας. Το πλήρως κλειστό φως{8}}τους συστήματος καθοδήγησης επιδεικνύει ισχυρή προσαρμοστικότητα σε διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες, ενώ η αρθρωτή εσωτερική δομή τους απλοποιεί τη συντήρηση και τη συντήρηση. είναι ιδιαίτερα κατάλληλοι-για ενσωμάτωση σε ροές εργασιών παραγωγής "online". Οι μηχανές σήμανσης λέιζερ χρησιμοποιούνται τώρα ευρέως για την εφαρμογή εμπορικών σημάτων, αριθμών παρτίδας, ημερομηνίες, γραμμωτούς κώδικες και άλλα αναγνωριστικά σε μια ευρεία γκάμα προϊόντων, όπως διάφορα είδη υλικού, μεταλλικά δοχεία, όργανα ακριβείας, εξαρτήματα αυτοκινήτου, ηλεκτρονικά εξαρτήματα, εργαλεία κοπής, δώρα, ρολόγια, υδραυλικά κουμπιά, κουμπιά, γυαλιά, γυαλιά πόρπες παπουτσιών και πληκτρολόγια υπολογιστών. Τα σχήματα 1 και 2, αντίστοιχα, απεικονίζουν μοτίβα που δημιουργούνται μέσω σήμανσης λέιζερ σε μαγνητικό δίσκο και γόμα. Με την επεξεργασία της σήμανσης με λέιζερ, τα προϊόντα μπορούν να βελτιωθούν σε ποιότητα και να βελτιωθούν όσον αφορά την ανταγωνιστικότητα της αγοράς.
Η σήμανση με λέιζερ έχει πλεονεκτήματα που είναι ουσιαστικά ασύγκριτα με τις παραδοσιακές μεθόδους (όπως η χημική χάραξη, η μηχανική κατεργασία με ηλεκτρική εκκένωση, η μηχανική χάραξη και η εκτύπωση). Πρώτον, χρησιμοποιεί τεχνολογία αριθμητικού ελέγχου (NC)-ή άμεσο έλεγχο υπολογιστή-καθιστώντας εξαιρετικά εύκολη την αλλαγή του περιεχομένου σήμανσης. αυτή η ικανότητα ευθυγραμμίζεται απόλυτα με τις απαιτήσεις υψηλής-αποτελεσματικότητας και γρήγορου{4}} της σύγχρονης κατασκευής. Δεύτερον, με τη χρήση ενός λέιζερ ως μέσο επεξεργασίας, επιτυγχάνει εξαιρετική ακρίβεια χάραξης ενώ επιδεικνύει ευρεία συμβατότητα με διάφορα υλικά, επιτρέποντας τη δημιουργία εξαιρετικά περίπλοκων και εξαιρετικά ανθεκτικών σημάνσεων σε ένα ευρύ φάσμα επιφανειών. Τέλος, επειδή η διαδικασία δεν περιλαμβάνει φυσική επαφή ή μηχανική δύναμη που ασκείται στο τεμάχιο εργασίας, διασφαλίζει ότι διατηρείται πλήρως η αρχική ακρίβεια και ακεραιότητα του τεμαχίου εργασίας. Μπορεί να χρησιμεύσει ως το τελικό στάδιο της παραγωγικής διαδικασίας, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για εργασίες φινιρίσματος μετά την{8}}σήμανση. Η μέθοδος επεξεργασίας του είναι εξαιρετικά ευέλικτη, ικανή να καλύψει τις απαιτήσεις εργαστηριακού στυλ, μικρής-παρτίδας παραγωγής και μεγάλης{12}}βιομηχανικής παραγωγής. Επιπλέον, δεν παράγει ρύπους και δεν προκαλεί περιβαλλοντική μόλυνση-ένας παράγοντας ιδιαίτερης σημασίας στον σημερινό κόσμο, όπου η προστασία του περιβάλλοντος έχει ολοένα και μεγαλύτερη προτεραιότητα. Το πιο σημαντικό είναι ότι οι σημάνσεις που δημιουργούνται με χρήση τεχνολογίας σήμανσης λέιζερ είναι εξαιρετικά δύσκολο να παραποιηθούν ή να τροποποιηθούν, προσφέροντας έτσι ισχυρές δυνατότητες κατά της{16}}παραποίησης. Από τη δεκαετία του 1990-καθοδηγούμενη από την αυξανόμενη ωριμότητα της τεχνολογίας σήμανσης λέιζερ, τη συνεχή βελτίωση του εξοπλισμού σήμανσης με λέιζερ και τη βαθύτερη κατανόηση αυτής της νέας τεχνικής από την αγορά-και κυρίως λόγω των ξεχωριστών πλεονεκτημάτων της, η τεχνολογία σήμανσης με λέιζερ έχει αποκτήσει ολοένα και πιο ευρεία εφαρμογή διεθνώς. Συγκεκριμένα, όταν η διάσημη αμερικανική εταιρεία Intel παρουσίασε τη νέα της γενιά τσιπ CPU υπολογιστών-τα Pentium, Pentium Pro και Pentium MMX-χρησιμοποιούσε τεχνολογία σήμανσης λέιζερ για να εγγράψει σημάνσεις στην επιφάνεια κάθε τσιπ.
3 Ταξινόμηση μηχανών σήμανσης λέιζερ
Πώς επιτυγχάνεται η σήμανση με λέιζερ; Σε γενικές γραμμές, η σήμανση με λέιζερ πραγματοποιείται υπό έλεγχο υπολογιστή δημιουργώντας σχετική κίνηση μεταξύ του τεμαχίου εργασίας και της δέσμης λέιζερ. Αυτό αναγκάζει τη δέσμη λέιζερ να αφαιρέσει τα επιθυμητά σύμβολα και σχέδια στην επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας. Θεωρητικά, εφόσον μπορεί να δημιουργηθεί ελεγχόμενη σχετική κίνηση μεταξύ του λέιζερ και του τεμαχίου εργασίας, μπορεί να πραγματοποιηθεί σήμανση με λέιζερ. Κατά συνέπεια, το τρέχον πεδίο σήμανσης λέιζερ διαθέτει μια μεγάλη ποικιλία μηχανών σήμανσης λέιζερ.
Με βάση το εάν η δέσμη λέιζερ είναι ακίνητη ή εν κινήσει, οι μηχανές σήμανσης λέιζερ μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ευρέως σε δύο τύπους: συστήματα σταθερής-δέσμης και συστήματα κινούμενης-δέσμης. Όπως υποδηλώνουν τα ονόματα, η πρώτη περιλαμβάνει μια σταθερή δέσμη λέιζερ με ένα κινούμενο τεμάχιο εργασίας, ενώ η δεύτερη περιλαμβάνει μια κινούμενη δέσμη λέιζερ με ένα ακίνητο τεμάχιο εργασίας. Οι μηχανές σήμανσης λέιζερ σταθερής-δέσμης συνήθως χρησιμοποιούν ένα ελεγχόμενο δισδιάστατο τραπέζι εργασίας με CNC-ελεγχόμενο δισδιάστατο-για τον χειρισμό του τεμαχίου εργασίας που επισημαίνεται. Το κύριο πλεονέκτημά τους είναι το σχετικά χαμηλό κόστος τους. Ωστόσο, τα μειονεκτήματά τους είναι εξίσου εμφανή: αργές ταχύτητες σήμανσης, χαμηλότερη ακρίβεια σήμανσης, δυσκολία στη σήμανση περίπλοκου περιεχομένου, όπως φωτογραφίες, και η πρόκληση της ενσωμάτωσής τους σε διαδικτυακές γραμμές παραγωγής. Οι μηχανές σήμανσης λέιζερ με κινούμενη-δέσμη μπορούν να υποδιαιρεθούν περαιτέρω σε διάφορους τύπους με βάση τη συγκεκριμένη μέθοδο χειρισμού δέσμης. Ενώ το καθένα έχει τα δικά του μοναδικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, τα συστήματα κινητής{10}}δέσμης γενικά υπερτερούν των συστημάτων σταθερής-δέσμης. Ανάμεσα στα συστήματα κινούμενης-δέσμης, η μηχανή σήμανσης λέιζερ με βάση το γαλβανόμετρο-ξεχωρίζει ως κορυφαίο παράδειγμα. Επί του παρόντος, είναι ευρέως αποδεκτό στη διεθνή κοινότητα σήμανσης λέιζερ ότι, μεταξύ της μεγάλης ποικιλίας διαθέσιμων μηχανημάτων, το σύστημα που βασίζεται σε γαλβανόμετρο-χάρη στα πολυάριθμα εγγενή πλεονεκτήματά του-έχει αναδειχθεί ως το κύριο προϊόν και θεωρείται ως η οριστική κατεύθυνση της τεχνολογίας σήμανσης λέιζερ για τη μελλοντική ανάπτυξη.
Με βάση τον τύπο της χρησιμοποιούμενης πηγής φωτός, οι μηχανές σήμανσης λέιζερ μπορούν επίσης να ταξινομηθούν σε μηχανές σήμανσης λέιζερ YAG και μηχανές σήμανσης λέιζερ CO2. Αυτές οι δύο διαφορετικές πηγές φωτός είναι κατάλληλες για τη σήμανση διαφορετικών τύπων υλικών. Λόγω διαφορών στο μήκος κύματος, οι μηχανές σήμανσης λέιζερ αερίου CO2 περιορίζονται στη σήμανση μη-μημεταλλικών υλικών, ενώ οι μηχανές σήμανσης λέιζερ στερεάς κατάστασης YAG μπορούν να επισημαίνουν τόσο μη-μεταλλικά και μεταλλικά υλικά. Τα κύρια αναλώσιμα για μια μηχανή σήμανσης λέιζερ αερίου CO2 είναι το μείγμα αερίων ή οι σωλήνες λέιζερ αντικατάστασης. Επιπλέον, οι φακοί γερμανίου είναι εξαρτήματα φθοράς-και-που έχουν σχετικά υψηλό κόστος. Αντίθετα, το κύριο αναλώσιμο για ένα μηχάνημα σήμανσης λέιζερ στερεάς κατάστασης YAG είναι η λάμπα αντλίας (τα παλμικά λέιζερ χρησιμοποιούν λαμπτήρες xenon, ενώ τα λέιζερ συνεχών-κυμάτων χρησιμοποιούν λαμπτήρες κρυπτόν), η οποία είναι φθηνή. Τα τελευταία χρόνια, λόγω της μείωσης του κόστους των λέιζερ ημιαγωγών, εμφανίστηκε ένας νέος τύπος τεχνολογίας λέιζερ: κρύσταλλοι λέιζερ που αντλούνται με ημιαγωγούς{14} (όπως το YAG), οι οποίοι δημιουργούν μια δέσμη λέιζερ σε μήκος κύματος 1064 nm. Αυτά τα συστήματα χαρακτηρίζονται από-δωρεάν διάρκεια ζωής 10.000 ωρών δωρεάν συντήρησης, μικρό μέγεθος και-σε αντίθεση με τα παραδοσιακά συστήματα-δεν απαιτούν μεγάλη-υποδομή ψύξης. Η Daheng Laser (Κίνα) ήταν πρωτοπόρος στην εγχώρια αγορά, αναπτύσσοντας με επιτυχία την πρώτη μηχανή σήμανσης λέιζερ με αντλία με ημιαγωγό-YVO4. αυτή η τεχνολογία έχει φτάσει σε ένα προηγμένο διεθνές πρότυπο και έκτοτε έχει γίνει ένα τυποποιημένο, καθιερωμένο προϊόν.
4 Επιλογή Μηχανών Σήμανσης Laser
Τα συστήματα σήμανσης λέιζερ χρησιμοποιούν ενέργεια λέιζερ για να δημιουργήσουν σημάδια σε ένα υπόστρωμα. Ωστόσο, τα πραγματικά αποτελέσματα που παράγονται μπορεί να ποικίλλουν δραστικά, ανάλογα με παράγοντες όπως ο τύπος του χρησιμοποιούμενου λέιζερ και οι εγγενείς ιδιότητες του υλικού του υποστρώματος. Για παράδειγμα, τα λέιζερ CO2 συνεχούς-κύματος συνήθως δημιουργούν σημάδια μέσω της επιφανειακής αφαίρεσης (χαρακτική). Τα παλμικά εγκάρσια διεγερμένα λέιζερ αερίου ατμοσφαιρικής-πίεσης (TEA) επιτυγχάνουν σήμανση μέσω της ενανθράκωσης. Τα λέιζερ excimer βασίζονται σε φωτοχημικές αντιδράσεις. ενώ τα λέιζερ Nd:YAG χρησιμοποιούν μεθόδους θερμοχημικής αντίδρασης.
Κάθε συγκεκριμένη εφαρμογή παρουσιάζει ένα μοναδικό σύνολο απαιτήσεων απόδοσης. κατά συνέπεια, η επιλογή ενός συστήματος λέιζερ δεν μπορεί να γίνει αυθαίρετα. Για τους σχεδιαστές συστημάτων σήμανσης λέιζερ, η κρίσιμη πρόκληση έγκειται στην επιλογή του καταλληλότερου μήκους κύματος λέιζερ και της οπτικής διαμόρφωσης για οποιοδήποτε δεδομένο υλικό υποστρώματος, ώστε να διασφαλιστεί η δημιουργία ενός ιδανικού,-σημαδιού υψηλής ποιότητας. Το κλειδί για την επιτυχημένη σήμανση με λέιζερ βρίσκεται στην αυστηρή εφαρμογή της μεθοδολογίας "6-Sigma". Για παράδειγμα, στο πλαίσιο της πλαστικής σήμανσης, οι σχεδιαστές πρέπει να αναλύσουν διεξοδικά τόσο τη χημική σύνθεση του υλικού όσο και τη διαδικασία χύτευσης του για να εξασφαλίσουν ομοιόμορφη διασπορά των προσθέτων και να διευκολύνουν την ολοκληρωμένη ενσωμάτωση τεχνολογιών ποιοτικού ελέγχου-όπως συστήματα μηχανικής όρασης.
Τα συστήματα λέιζερ με δέσμη-διεύθυνσης Nd:YAG και CO2 παραμένουν, μέχρι σήμερα, οι πιο ιδανικές λύσεις για εφαρμογές σήμανσης λέιζερ. Μια απεικόνιση της φυσικής διαμόρφωσης μιας μηχανής σήμανσης λέιζερ Nd:YAG μπορεί να βρεθεί στο Σχήμα 3. Ένα τυπικό σύστημα χρησιμοποιεί ένα ζεύγος καθρεφτών σάρωσης για να κατευθύνει τη δέσμη λέιζερ, κατευθύνοντάς την μέσω ενός συστήματος αντικειμενικού φακού για να εστιάσει ακριβώς στην επιφάνεια στόχο. Αυτοί οι καθρέφτες εκτελούν τις κινήσεις σάρωσης σύμφωνα με τις εντολές που εκδίδονται από τον υπολογιστή ελέγχου. Άλλα λέιζερ-όπως παλμικά εγκάρσια διεγερμένα ατμοσφαιρικά-λέιζερ αερίου πίεσης-χρησιμοποιούν σήμανση μάσκας, ενώ τα συστήματα σήμανσης μήτρας λέιζερ με τελείες-CO2 κατέχουν επίσης μια θέση στη βιομηχανία σήμανσης.
