Από τα μέσα-1960, τα λέιζερ χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία σημαδιών, τη χάραξη και την κοπή. Η πρώτη μηχανή σήμανσης λέιζερ στον κόσμο αναπτύχθηκε το 1965 για τη μελλοντική διάνοιξη οπών σε καλούπια κατασκευής διαμαντιών και η τεχνολογία στη συνέχεια κέρδισε ταχεία δυναμική.
Η πρώιμη εισαγωγή τουΛέιζερ CO2 για σήμανσηεμφανίστηκε το 1967 και η τεχνολογία έφτασε στην ωριμότητα στα μέσα-1970με την εμπορευματοποίηση σύγχρονων συστημάτων λέιζερ CO2. Έκτοτε, τα συστήματα σήμανσης με λέιζερ έχουν γίνει βασικός πυλώνας σε ένα ευρύ φάσμα βιομηχανιών από την αεροδιαστημική έως την κατασκευή ιατρικών συσκευών, τα φαρμακευτικά προϊόντα και το λιανικό εμπόριο.
Παρά τον ανταγωνισμό με άλλες τεχνολογίες όπως η εκτύπωση inkjet, τα λέιζερ έχουν χαρακτηριστεί ως μια ισχυρή, χαμηλού κόστους και επαναλαμβανόμενη τεχνολογία σήμανσης. Είναι σημαντικό ότι η διαδικασία είναι φιλική προς το περιβάλλον και δεν απαιτεί αναλώσιμα (όπως μελάνι, κασέτες και χαρτί). Τώρα, τα συστήματα σήμανσης λέιζερ δεν βασίζονται πλέον αποκλειστικά σε λέιζερ CO2. Άλλα, όπως τα λέιζερ ινών και το Nd: Οι πηγές φωτός στερεάς κατάστασης YAG, προσφέρουν μικρότερα αποτυπώματα, χαμηλότερο κόστος συντήρησης και αποτελεσματικές εναλλακτικές λύσεις. και η πρόοδος στις τεχνολογικές δυνατότητες είναι εμφανής. Τα πιο γρήγορα εμπορικά μηχανήματα σήμανσης λέιζερ μπορούν πλέον να επεξεργάζονται δεκάδες χιλιάδες εξαρτήματα ανά ώρα.
Ενώ η εξέλιξη της τεχνολογίας σήμανσης με λέιζερ ήταν ταχεία, οι κατασκευαστές και οι χρήστες συστημάτων σήμανσης λέιζερ αναζητούν τώρα νέες διαδρομές για να ξεπεράσουν τα όρια της τεχνολογίας σήμανσης για να αντιμετωπίσουν νέες προκλήσεις και να βελτιώσουν τα αποτελέσματα επεξεργασίας.
Σήμανση λέιζερ κεραμικού κυκλώματος
Αυτές οι προκλήσεις προέρχονται από νέα υλικά προς επεξεργασία και νέες εφαρμογές που πρέπει να εξυπηρετηθούν - καθεμία οδηγεί στην ανάγκη για ανάπτυξη και καινοτομία, ενώ διαμορφώνει την αγορά για την ανάπτυξη συστημάτων λέιζερ.
Για παράδειγμα,κεραμικάείναι ένα από τα ταχύτερα αναπτυσσόμενα υλικά στην επεξεργασία λέιζερ και αυτό το υλικό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την κατασκευή εξαρτημάτων ημιαγωγών και πλακών κυκλωμάτων. Οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB) που συχνά αναφέρονται ως «η μητέρα όλων των προϊόντων ηλεκτρονικών συστημάτων», είναι ένα εξάρτημα που χρησιμοποιείται σχεδόν σε όλα τα ηλεκτρονικά προϊόντα και οι μικρές αλλαγές στην ανάπτυξη PCB έχουν σημαντικό αντίκτυπο στις τάσεις της αγοράς.
Τα τελευταία χρόνια, η εστίαση έχει μετατοπιστεί στη χρήση κεραμικών σε συμβατικές πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB), οι οποίες είναι κατασκευασμένες από πλαστικές εποξειδικές ρητίνες όπως το FP4. Οι κεραμικές πλακέτες κυκλωμάτων προσφέρουν εξαιρετική θερμική επεξεργασία, είναι εύκολο να εφαρμοστούν και παρέχουν ανώτερη απόδοση σε σύγκριση με τα μη κεραμικά PCB. Ωστόσο, πολλές τεχνικές σήμανσης - όπως η επεξεργασία οθόνης δεν είναι κατάλληλες για κεραμικά. Η σήμανση με μελάνι των κεραμικών είναι δυσκίνητη, απαιτεί πολλά αναλώσιμα και δεν είναι ανθεκτική στην τριβή. Η ευθραυστότητα και η σκληρότητα των κεραμικών τα καθιστούν επίσης ένα από τα πιο δύσκολα υλικά στο σημάδι.
Ως αποτέλεσμα, τα λέιζερ έχουν αναδειχθεί τα τελευταία χρόνια ως εναλλακτική στην τεχνολογία εκτύπωσης μελανιού και πολλές εταιρείες λέιζερ έχουν αναπτύξει συστήματα ειδικά κατάλληλα για κεραμικές σημάνσεις, όπως λέιζερ υπεριώδους ακτινοβολίας στερεάς κατάστασης με αντλία διόδου, καθώς και συμβατικό CO2 λέιζερ.
"Αυτό περιλαμβάνει μια τάση προς τη μικρογραφία", λέει ο Andrew May, διευθυντής μιας εταιρείας σήμανσης λέιζερ. Ωστόσο, τονίζει ότι η εισαγωγή νέων τάσεων της αγοράς απαιτεί επίσης χρόνο, "Υπάρχει νέα εφαρμογή κάθε εβδομάδα; Όχι. Αλλά πριν από 15 χρόνια, ποτέ δεν μαρκάραμε σε μικροσκοπικά κεραμικά, και τώρα το κάνουμε."
Πιο εύκαμπτα υλικά, σχήματα και μεγέθη
Ωστόσο, παρά την ταχεία ανάπτυξή της, η κεραμική σήμανση στα ηλεκτρονικά δεν είναι επί του παρόντος η μεγαλύτερη αγορά της εταιρείας σήμανσης λέιζερ. "Η μεγαλύτερη βιομηχανία για εμάς είναι οι ιατρικές συσκευές", λέει ο Andrew May, "μετά τα αυτοκίνητα, τα ηλεκτρονικά και γενικά εξαρτήματα μηχανικής. Η γκάμα των απαιτούμενων προϊόντων ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με τον κλάδο και τον εν λόγω κλάδο."
Η εταιρεία διαθέτει οκτώ συστήματα λέιζερ (τα πέντε εκ των οποίων είναι με σύστημα Galv) που παρέχουν υπηρεσίες σήμανσης για μια μεγάλη ποικιλία εφαρμογών. Εξαιτίας αυτού και επειδή η εταιρεία πάντα αποκτά νέους πελάτες με εξατομικευμένες απαιτήσεις - η May τονίζει ότι η ικανότητα να είσαι ευέλικτη είναι ζωτικής σημασίας. Ως αποτέλεσμα, χρησιμοποιεί λέιζερ κατάλληλα για τη σήμανση διαφορετικών υλικών, σχημάτων και μεγεθών, καθώς και διαφορετικών μεγεθών παρτίδων. Η γκάμα των δεικτών που μπορεί να προσφέρει είναι επίσης τόσο διαφορετική όσο και η πελατειακή της βάση, με τα λέιζερ της ικανά να παράγουν τα πάντα, από κωδικούς μέχρι γραφικά και πίνακες δεδομένων - όλα σε υψηλές ταχύτητες και με υψηλή αναπαραγωγιμότητα.
Η κάλυψη αυτής της ευελιξίας είναι επομένως μια αναγκαιότητα για τους κατασκευαστές μηχανών σήμανσης λέιζερ όπως π.χBluhm Systeme.
Η ζήτηση για ιχνηλασιμότητα εξαρτημάτων αυξάνεται
Μια άλλη σημαντική τάση στον τομέα της σήμανσης λέιζερ είναι η διασφάλιση και η βελτίωση της ιχνηλασιμότητας - η ατομική αναγνώριση ενός προϊόντος μέσω ενός μοναδικού σήματος αναγνώρισης στην επιφάνειά του. Αυτή η σήμανση μπορεί να πάρει πολλές μορφές, αλλά όλο και πιο δημοφιλής και σημαντική είναι η χρήση πινάκων δεδομένων όπως οι δισδιάστατοι κώδικες (κώδικες QR).
Με τη σήμανση ενός μεμονωμένου προϊόντος με τον δικό του μοναδικό κωδικό μήτρας δεδομένων, μπορεί εύκολα να αναγνωριστεί με μη παρεμβατικό τρόπο με βασικά στοιχεία όπως κατασκευαστής, αριθμός παρτίδας και διάρκεια ζωής. Αυτό παρέχει διασφάλιση ποιότητας: οι καταναλωτές και οι χρήστες μπορούν να προσδιορίσουν την ακριβή προέλευση ενός προϊόντος. Αυτή η διασφάλιση ποιότητας δημιουργεί έναν άμεσο δεσμό μεταξύ του καταναλωτή και του κατασκευαστή και προσδίδει προστιθέμενη αξία στο προϊόν, δίνοντάς τους τη δυνατότητα να ανταγωνιστούν την παραγωγή χαμηλού κόστους. Λόγω της απίστευτης ακρίβειας του, το λέιζερ είναι ιδανικό για τη σύνταξη λεπτομερών κωδικών μεγέθους 200 μm - πολύ μικρό για να το δει κάποιος που περνά, αλλά ελέγχεται εύκολα με ένα smartphone εάν κάποιος γνωρίζει την τοποθεσία του. Σε τέτοια μεγέθη, οι πίνακες δεδομένων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για σκοπούς κατά της παραχάραξης, καθιστώντας εύκολο τον έλεγχο της αυθεντικότητας των προϊόντων υψηλής ποιότητας με μη παρεμβατικό τρόπο. Αυτό έχει τεράστιο αντίκτυπο στη φαρμακοβιομηχανία, καθώς είναι ένας τρόπος να διασφαλιστεί ότι φάρμακα όπως τα χάπια δεν παράγονται και διανέμονται με δόλια.
Η ιχνηλασιμότητα των στοιχείων διαδραματίζει επίσης σημαντικό ρόλο όταν χρησιμοποιείται ως αποδεικτικό στοιχείο σε δικαστικές διαφορές. Για παράδειγμα, εάν κάποιος κάνει ιατρική μεταμόσχευση και η μεταμόσχευση αποτύχει, η ιχνηλασιμότητα του επιτρέπει να γνωρίζει ακριβώς τι πήγε στραβά, πού πήγε στραβά και σε ποια παρτίδα πήγε στραβά. Αυτό σίγουρα αυξάνει την αποτελεσματικότητα σε πράγματα όπως οι ανακλήσεις προϊόντων, αλλά δίνει επίσης στον πελάτη μεγαλύτερη αυτονομία. Μπορεί να μην είναι προφανές, αλλά καθώς η κοινωνία ενδιαφέρεται περισσότερο για τις δικαστικές διαφορές, η τεχνολογία που μπορεί να ενισχύσει τις δικαστικές αποφάσεις θα πρέπει να συνεχίσει.
Η ιχνηλασιμότητα συμβάλλει επίσης σε μια άλλη τάση στη μεταποίηση: τη βελτίωση της περιβαλλοντικής βιωσιμότητας και τη μείωση των οικολογικών επιπτώσεων. Παρακολουθώντας ένα προϊόν για να γνωρίζουν πότε αποτυγχάνει ή γνωρίζοντας πότε φτάνει στο τέλος του κύκλου ζωής του, οι κατασκευαστές είναι σε καλύτερη θέση να αντικαθιστούν και να ανακυκλώνουν προληπτικά. Αυτό σημαίνει επίσης ότι τα προϊόντα μπορούν να επιστραφούν για ανακαίνιση όπως προβλέπεται, επομένως λιγότερος εξοπλισμός μπορεί να καταλήξει στις χωματερές.
Ωστόσο, τα τρέχοντα συστήματα επισήμανσης πινάκων δεδομένων αντιμετωπίζουν πολλές προκλήσεις. Ορισμένα υλικά κάνουν πιο δύσκολο τον χειρισμό - ιδιαίτερα το γυαλί και τα πολυμερή, καθώς και τα λεπτά μέταλλα και τα φύλλα. Η σήμανση πρέπει επίσης να είναι μόνιμη και σταθερή και το σύστημα πρέπει να μπορεί να φιλοξενήσει ένα ευρύ φάσμα μεγεθών προϊόντων.
Μια ιδιαίτερη πρόκληση για ορισμένες μηχανές σήμανσης λέιζερ είναι η σήμανση σε μη επίπεδες επιφάνειες. Οι εκτυπωτές inkjet εξακολουθούν να υπερτερούν αριθμητικά των συστημάτων που βασίζονται σε λέιζερ σε αυτόν τον τομέα. Ως αποτέλεσμα, οι μηχανικοί συστημάτων εργάζονται για να ξεπεράσουν αυτές τις προκλήσεις. Για παράδειγμα, ορισμένοι κατασκευαστές συστημάτων σήμανσης λέιζερ προσφέρουν λέιζερ CO2 και ινών με μέση ισχύ 20-500 W και μεταβαλλόμενους χρόνους κύκλου, εξοπλισμένα με οπτική εστίασης αυτόματης ρύθμισης για χρήση σε τρισδιάστατες επιφάνειες που μπορούν να προσαρμοστούν στην καμπυλότητα το αντικείμενο. Για να ληφθούν υπόψη επιφάνειες με άγνωστες γεωμετρίες, τα συστήματα χρησιμοποιούν ένα σύστημα αυτόματης εστίασης όρασης που πρώτα σαρώνει την επιφάνεια 3D και στη συνέχεια προσαρμόζει την εστίαση λέιζερ κατά τη διαδικασία σήμανσης.
Ωστόσο, οι μη επίπεδες επιφάνειες δεν είναι η μόνη πρόκληση που αντιμετωπίζουν οι κατασκευαστές συστημάτων σήμανσης λέιζερ. Ο Δρ Florent Thibaut, Διευθύνων Σύμβουλος ενός κατασκευαστή λύσεων σήμανσης λέιζερ, εξηγεί: "Σε πολλές περιπτώσεις, οι λύσεις σήμανσης που είναι τυποποιημένες παγκοσμίως, όπως το inkjet, δεν είναι σε θέση να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις που απαιτούνται για την παροχή συγκεκριμένης σήμανσης για κάθε προϊόν. Επί του παρόντος , η συνήθης χρήση λέιζερ είναι ήδη διαθέσιμη ως συνεχής μέθοδος, όπως και η χρήση ενός στυλό. Ωστόσο, αυτό δεν είναι αρκετά γρήγορο - πρέπει να βρούμε μια λύση που να εξισορροπεί τον όγκο παραγωγής και την ακρίβεια."
Η διαδοχική σήμανση επηρεάζεται επειδή η σήμανση λέιζερ πρέπει να αλλάξει για κάθε προϊόν, επομένως η ύπαρξη τεχνολογίας σήμανσης που μπορεί να προσαρμοστεί σε κάθε προϊόν είναι κρίσιμης σημασίας. Οι κατασκευαστές απαιτούν εξαιρετικά υψηλή απόδοση - η σήμανση πρέπει να προσαρμόζεται και ο ρυθμός σήμανσης πρέπει να είναι υψηλός - και αυτό δεν λαμβάνει καν υπόψη τις δυσκολίες επεξεργασίας ορισμένων υλικών όπως το γυαλί ή τα πολυμερή.
Για να λύσει αυτό το πρόβλημα, ένας κατασκευαστής λύσεων σήμανσης λέιζερ κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας την τεχνολογία VULQ1, η οποία κέρδισε το βραβείο Laser Systems Innovation Award στο φετινό Laser World Photonics Industrial Production Engineering, το οποίο δεν επιλέγει τη χρήση μιας συνεχούς δέσμης φωτός (όπως είναι η θήκη με συμβατικά συστήματα σήμανσης). Αντίθετα, χρησιμοποιεί εκατοντάδες δέσμες φωτός για να δημιουργήσει ένα εφέ που μοιάζει με σφραγίδα - παράγοντας έναν ολόκληρο κώδικα μήτρας δεδομένων σε μια στιγμή. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται για την παραγωγή αυτής της μοναδικής σφραγίδας είναι η δυναμική διαμόρφωση δέσμης, η οποία επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας εξαρτήματα όπως ο Διαμορφωτής Χωρικού Φωτός (SLM), ο οποίος μπορεί να προσαρμοστεί ανά βολή για να δημιουργήσει δέσμες με μοναδική δομή.
Ενώ άλλες τεχνολογίες σήμανσης λέιζερ μπορεί να δίνουν προτεραιότητα σε υψηλούς ρυθμούς επανάληψης για υψηλή απόδοση, αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιεί υψηλότερη ενέργεια παλμού και παράλληλη επεξεργασία για καλύτερα αποτελέσματα.
Ο Thibaut λέει, "Αυτό το σχέδιο σήμανσης που μοιάζει με σφραγίδα ξεκλειδώνει τεράστιες δυνατότητες παραγωγικότητας για τη σήμανση 2D barcode και είναι απλό στην εφαρμογή."
Για παράδειγμα, η τεχνολογία του μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σήμανση ιατρικών εξαρτημάτων PVC με 570-κωδικό μήτρας δεδομένων πλάτους μm με ρυθμό 77,000 ανά ώρα. Άλλα υλικά που μπορεί να επισημάνει το σύστημα περιλαμβάνουν αλουμίνιο επικαλυμμένο με πολυμερές HDPE. γυαλί σόδα-άσβεστο? βοριοπυριτικό γυαλί, καθαρό χρυσό και σύνθετο χυτό εποξειδικό.
Ο Thibault προσθέτει, «Τα μεγέθη των μοτίβων μπορεί να είναι τόσο μικρά όσο 100 μm, διατηρώντας παράλληλα απόλυτα καθαρή αναγνωσιμότητα, ακόμη και όταν σημειώνονται σε ευθεία γραμμή, καθώς όλες οι κουκκίδες σημειώνονται ταυτόχρονα». Επιπλέον, επειδή δεν χρειάζεται να βασίζεται σε υψηλές συχνότητες επανάληψης, η τεχνολογία μπορεί να δημιουργήσει συστήματα χρησιμοποιώντας υπέρυθρες και πράσινες Nd: λέιζερ YAG με συχνότητες επανάληψης περίπου 20-30Hz, διασφαλίζοντας ότι τα συστήματά της παραμένουν όσο το δυνατόν πιο οικονομικά αποδοτικές.
Το εξαιρετικά γρήγορο λέιζερ μετατρέπει το γυαλί σε αποθήκευση δεδομένων
Ένας άλλος συναρπαστικός νέος τομέας σήμανσης λέιζερ είναι η αποθήκευση δεδομένων. Οι ερευνητές ισχυρίζονται ότι μπορούν να παράγουν αποτελεσματικά συστήματα αποθήκευσης δεδομένων χρησιμοποιώντας εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ για την κωδικοποίηση δεδομένων σε μέσα γυαλιού/κρυστάλλου. Τα δεδομένα αποθηκεύονται σε γυαλί/κρύσταλλο με τη μορφή μικροαφαίρεσης και μόλις παραχθούν, θα μπορούν να διατηρηθούν για ένα εκπληκτικό χρονικό διάστημα.
Το 2013,Χιτάτσιανακοίνωσε το πρώτο της σύστημα αποθήκευσης δεδομένων κρυστάλλων χαλαζία και το 2014, ερευνητές στο Ερευνητικό Κέντρο Οπτοηλεκτρονικής του Πανεπιστημίου του Σαουθάμπτον (ORC) ανακοίνωσαν την ανάπτυξη ενός συστήματος γυαλιού χαραγμένου με λέιζερ femtosecond. Το ORC έχει αρχίσει να συνεργάζεται με τη Microsoft Research για το "Project Silica" Το ORC έχει αρχίσει να συνεργάζεται με τη Microsoft Research για το "Project Silica", το οποίο υπόσχεται να αναπτύξει συστήματα αποθήκευσης κλίμακας zb και "να επανεξετάσει θεμελιωδώς πώς να δημιουργήσει συστήματα μαζικής αποθήκευσης.
Η γραφή σε γυαλί δεν είναι εύκολη δουλειά, ωστόσο, και τα τυπικά συστήματα λέιζερ παλμικής υπεριώδους ακτινοβολίας ή CO2 μπορούν να δημιουργήσουν μικρορωγμές - η υπερβολική θέρμανση της επιφάνειας του υλικού μπορεί να οδηγήσει σε ζημιά σε θερμικά θερμά σημεία. Αν και αυτό μπορεί να παρακαμφθεί με τη μείωση της ενέργειας του παλμού, δεν είναι ιδανικό όταν απαιτείται υψηλή ακρίβεια. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι ερευνητές στρέφονται σε συστήματα λέιζερ εξαιρετικά γρήγορα (femtosecond) για να ελαχιστοποιήσουν τον κίνδυνο θερμικής βλάβης. Η εξαιρετικά σύντομη διάρκεια του παλμού υψηλής ενέργειας διασφαλίζει ότι παρέχεται αρκετή ενέργεια στο υλικό για να το επισημάνετε με εξαιρετική ακρίβεια, δημιουργώντας μόνο ελάχιστες ζώνες που επηρεάζονται από τη θερμότητα και αποφεύγοντας μικρορωγμές.
Ο τρέχων περιορισμός αυτής της τεχνολογίας είναι η εξαιρετικά χαμηλή ταχύτητα εγγραφής δεδομένων και η εγγραφή δεδομένων σε κλίμακα Tb μπορεί να διαρκέσει χρόνια για να ολοκληρωθεί. Ευτυχώς, οι συνεχείς ανακαλύψεις προτείνουν τρόπους για να αυξήσετε τις ταχύτητες εγγραφής δεδομένων. Πέρυσι, οι ερευνητές του ORC δημοσίευσαν μια ενεργειακά αποδοτική μέθοδο γραφής με λέιζερ στο περιοδικό Optica: όχι μόνο είναι γρήγορη, αλλά μπορεί να αποθηκεύσει περίπου 500 Tb δεδομένων σε δίσκους πυριτίου μεγέθους CD - είναι 10,000 φορές πιο πυκνό από την τεχνολογία αποθήκευσης Blu-ray Disc.
Η νέα μέθοδος των ερευνητών χρησιμοποιεί ένα λέιζερ ινών 515 nm με συχνότητα επανάληψης 10 MHz και διάρκεια παλμού 250 fs για να δημιουργήσει μικροσκοπικά κοιλώματα στο γυαλί πυριτίας, τα οποία περιέχουν μεμονωμένες νανοελασματικές δομές διαστάσεων μόνο 500 × 50 nm. Αυτές οι νανοδομές υψηλής πυκνότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μακροπρόθεσμη αποθήκευση οπτικών δεδομένων. Οι ερευνητές πέτυχαν ταχύτητα εγγραφής 1,000,000 voxel ανά δευτερόλεπτο, που ισοδυναμεί με εγγραφή περίπου 225 KB δεδομένων (περισσότερες από 100 σελίδες κειμένου) ανά δευτερόλεπτο.
Η νέα μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για την εγγραφή 5 GB δεδομένων κειμένου σε δίσκο από γυαλί σιλικόνης μεγέθους ενός συμβατικού CD-ROM με σχεδόν 100% ακρίβεια ανάγνωσης. Κάθε voxel περιέχει τέσσερα bit πληροφοριών, με κάθε δύο voxel να αντιστοιχούν σε έναν χαρακτήρα κειμένου. Χρησιμοποιώντας την πυκνότητα εγγραφής που παρέχεται από τη μέθοδο, ο δίσκος θα μπορεί να χωράει 500 Tb δεδομένων. Με την αναβάθμιση του συστήματος για παράλληλη γραφή, θα πρέπει να είναι εφικτό να γραφτούν τόσα πολλά δεδομένα σε περίπου 60 ημέρες, είπαν οι ερευνητές.
