Hva er de bemerkelsesverdige trendene og innovasjonene for lasermerking for 2023?

Siden midten av-1960 har lasere blitt brukt til å lage merke, etse og kutte. Verdens første lasermerkingsmaskin ble utviklet i 1965, da det var fremtiden for å bore hull i diamantfremstillingsformer, og teknologien fikk deretter en rask utvikling.
Den tidlige introduksjonen av CO2-lasere for merking skjedde i 1967, og teknologien ble modenhet på midten av-1970-tallet gjennom kommersialiseringen av moderne CO2-lasersystemer. Og siden den gang har lasermarkeringssystemer blitt en bærebjelke i et bredt spekter av bransjer med bruksområder som spenner fra romfart til produksjon av medisinsk utstyr, farmasøytiske produkter og detaljhandel.
Hva er noen bemerkelsesverdige lasermarkeringstrender og innovasjoner for 2023?
Panasonic introduserer en operativ demonstrasjon av sin 3D-kortpulsede fiberpresisjonslasermarkeringsmaskin (bildekreditt: Panasonic)
Til tross for å konkurrere med andre teknologier som blekkskriving, har lasere blitt stemplet som en kraftig, rimelig og repeterbar merkeproduksjonsteknologi. Viktigere er at prosessen er miljøvennlig og krever ingen forbruksvarer (som blekk, patroner og papir).
I dag 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. Fremskritt i teknologiske evner er også 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 veier for å fremme merketeknologi for å møte nye utfordringer og forbedre behandlingsresultatene.
Trend 1: Lasermerking av keramiske kretser
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.
Keramikk er for eksempel et av de raskest voksende materialene innen laserbehandling, og dette materialet er spesielt viktig i halvlederdeler og kretskortproduksjon. 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 skiftet 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 keramisk merking, som diodepumpede solid-state UV-lasere, samt konvensjonell CO2 lasere.
"Dette inkluderer definitivt en trend mot miniatyrisering," sier Andrew May, direktør for lasermerkingsselskapet ES Precision. 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."
Trend 2: Mer fleksible materialer, former og størrelser
Til tross for den raske veksten er imidlertid ikke keramiske markører for elektronikk for øyeblikket ES Precisions 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 får nye kunder med tilpassede behov – understreker May at for ES Precision er evnen til å være fleksibel 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 kan produsere alt fra koder til grafikk og datamatriser – alt i høy hastighet og med høy reproduserbarhet.
Å ta hensyn til denne fleksibiliteten er derfor et must for lasermarkørprodusenter som Bluhm Systeme, sier Antoinette Aufdermauer, redaktør i selskapet, som hele tiden overvåker markedet og utvikler produktene sine deretter.
Markeringssystemene inkluderer gass-, fiber- og faststofflasere, inkludert CO2- og YAG-systemer. Lasermarkørene pulseres og opererer i bølgelengdeområdet 0.355 μm til 10.6 μm. Hver laser har sine egne egenskaper og noen likheter: CO2-lasere kan brukes til å merke plast, gummi, papir og folier; fiberlasere er fordelaktige for merking av stål og noe plast; og YAG-lasere er egnet for merking av metaller og keramikk. Vi tester alle våre kunders materialer grundig på forhånd i laserlaboratoriet vårt, sier Aufdermauer.
Portabilitet er også viktig for å sikre fleksibilitet i lasermerkingsoperasjoner, noe som er ideelt for industrikunder, sier Aufdermauer. Av denne grunn har Bluhm Systemes nyeste produkt, "Lightworx", en 20W fiberlaser i en kompakt arbeidsstasjon som enkelt kan flyttes inn i produksjonsmiljøer. Systemet produserer "permanent, skarp og manipulasjonssikker" merking på metaller og plast.
Trend 3: Økende etterspørsel etter komponentsporbarhet
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 enkelt 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 lasermarkører er merking på ikke-plane overflater. Blekkskrivere er fortsatt flere enn laserbaserte systemer på dette området. Som et resultat jobber systemingeniører for å overvinne disse utfordringene. For eksempel tilbyr Laserax, en produsent av lasermarkeringssystemer, CO2- og fiberlasere med en gjennomsnittlig effekt på 20-500 W og varierende syklustider, utstyrt med autojusterende fokusoptikk for bruk på 3D-overflater, som kan justeres til objektets krumning. For å ta hensyn til overflater med ukjente geometrier, bruker Laserax sine systemer 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 i QiOVA, en produsent av lasermerkingsløsninger, forklarer: "I mange tilfeller er ikke merkeløsninger som er standardisert globalt, slik som blekkskriver, i stand til å oppfylle kravene som trengs for å gi spesifikke merker for hvert produkt. Foreløpig er vanlig bruk av laser 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 av at lasermerking må endres for hvert produkt, så det å ha en merketeknologi som kan tilpasses for hvert produkt er avgjørende. 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 patenterte QiOVA sin VULQ1-teknologi, som vant Laser Systems Innovation Award på årets Laser World Photonics Industrial Production Engineering, som ikke velger en metode som bruker en enkelt, kontinuerlig lysstråle (som tradisjonelle merkesystemer gjør ). I stedet bruker den hundrevis av lysstråler for å produsere en stempellignende effekt - genererer 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 en romlig lysmodulator (SLM). SLM er i stand til å justere på per-shot-basis for å lage stråler med en unik struktur.
Mens andre lasermarkeringsteknologier kan prioritere høye repetisjonshastigheter for høy gjennomstrømning, bruker QiOVA høyere pulsenergier og parallell prosessering for bedre resultater.
Thibaut sier: "Denne stempellignende merkeløsningen 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 QiOVA bygge systemer ved hjelp av infrarøde og grønne Nd:YAG-lasere med repetisjonsfrekvenser på rundt 20-30Hz, for å sikre at systemene forblir så kostnadseffektivt som mulig.
Trend #4: Ultraraske lasere gjør glass til datalagring
Et annet spennende nytt område innen lasermerking: datalagring. Forskere hevder at de kan produsere effektive datalagringssystemer ved å bruke ultraraske lasere for å kode data inn i glass/krystallinske medier. 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 kunngjorde Hitachi 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," som lover å utvikle zz-prosent glass. 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. Det er derfor forskerne 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.
Imidlertid er den nåværende begrensningen for denne teknologien den ekstremt lave hastigheten som data kan skrives med, 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 silikadisker – 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 små groper i silikaglasset, som inneholder individuelle nanomellære strukturer som måler bare 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 prosent 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.