Des de mitjans-1960, els làsers s'han utilitzat per fer marques, gravar i tallar. La primera màquina de marcatge làser del món es va desenvolupar l'any 1965 per a la futura perforació de forats en motlles de fabricació de diamants, i la tecnologia va guanyar posteriorment un impuls ràpid.
La introducció primerenca deLàsers de CO2 per al marcatgees va produir el 1967 i la tecnologia va arribar a la maduresa a mitjans-1970 mitjançant la comercialització de sistemes làser de CO2 moderns. Des d'aleshores, els sistemes de marcatge làser s'han convertit en un pilar en una àmplia gamma d'indústries, des de l'aeroespacial fins a la fabricació de dispositius mèdics, farmacèutics i minoristes.
Tot i competir amb altres tecnologies com la impressió d'injecció de tinta, els làsers s'han estampat com una tecnologia de marcatge potent, de baix cost i repetible. És important destacar que el procés és ecològic i no requereix consumibles (com ara tinta, cartutxos i paper). Ara, els sistemes de marcatge làser ja no depenen únicament dels làsers de CO2; d'altres, com els làsers de fibra i les fonts de llum d'estat sòlid Nd: YAG, ofereixen empremtes més petites, costos de manteniment més baixos i alternatives eficients; i els avenços en les capacitats tecnològiques són evidents. Les màquines comercials de marcatge làser més ràpides ara poden processar desenes de milers de peces per hora.
Tot i que l'evolució de la tecnologia de marcatge làser ha estat ràpida, els fabricants i usuaris de sistemes de marcatge làser busquen ara noves rutes per superar els límits de la tecnologia de marcatge per afrontar nous reptes i millorar els resultats del processament.
Circuit de marcatge làser de ceràmica
Aquests reptes provenen de nous materials que s'han de processar i de noves aplicacions que s'han de servir, cadascuna impulsant la necessitat de creixement i innovació alhora que configura el mercat per al desenvolupament de sistemes làser.
Per exemple,ceràmicasón un dels materials de més ràpid creixement en el processament làser, i aquest material és especialment important en la fabricació de peces de semiconductors i plaques de circuit. Sovint coneguda com la "mare de tots els productes del sistema electrònic", les plaques de circuits impresos (PCB) són un component utilitzat en pràcticament tots els productes electrònics, i els petits canvis en el desenvolupament de PCB tenen un impacte significatiu en les tendències del mercat.
En els darrers anys, l'atenció s'ha desplaçat cap a l'ús de ceràmica en plaques de circuits impresos convencionals (PCB), que estan fetes de resines epoxi plàstiques com FP4. Les plaques de circuit de ceràmica ofereixen una excel·lent capacitat de tractament tèrmic, són fàcils d'implementar i ofereixen un rendiment superior en comparació amb les PCB no ceràmiques. Tanmateix, moltes tècniques de marcatge, com ara el processament de pantalla, no són adequades per a la ceràmica. El marcat amb tinta de la ceràmica és feixuc, requereix diversos consumibles i no és resistent a l'abrasió. La fragilitat i la duresa de la ceràmica també la converteixen en un dels materials més difícils de marcar.
Com a resultat, els làsers han guanyat protagonisme en els darrers anys com a alternativa a la tecnologia d'impressió de tinta, i moltes empreses làser han desenvolupat sistemes especialment adequats per al marcatge ceràmic, com ara làsers UV d'estat sòlid bombejats amb díodes, així com CO2 convencional. làsers.
"Això inclou una tendència cap a la miniaturització", diu Andrew May, director d'una empresa de marcatge làser. No obstant això, subratlla que introduir noves tendències del mercat també requereix temps: "Hi ha una nova aplicació cada setmana? No. Però fa 15 anys, mai vam marcar en ceràmica en miniatura, i ara ho fem".
Materials, formes i mides més flexibles
No obstant això, malgrat el seu ràpid creixement, el marcatge ceràmic en electrònica no és actualment el mercat més gran de l'empresa de marcatge làser. "La indústria més gran per a nosaltres són els dispositius mèdics", diu Andrew May, "després l'automoció, l'electrònica i els components d'enginyeria general. La gamma de productes requerits varia molt segons la indústria i la indústria en qüestió".
L'empresa disposa de vuit sistemes làser (cinc dels quals són impulsats per Galv) que ofereixen serveis de marcatge per a una gran varietat d'aplicacions. Per això, i perquè l'empresa sempre està adquirint nous clients amb requisits a mida, May destaca que la capacitat de ser flexible és vital. Com a resultat, utilitza làsers adequats per marcar diferents materials, formes i mides, així com diferents mides de lots. La gamma de marcadors que pot oferir també és tan diversa com la seva base de clients, amb els seus làsers capaços de produir des de codis fins a gràfics i matrius de dades, tot a alta velocitat i amb una alta reproductibilitat.
Per tant, tenir en compte aquesta flexibilitat és una necessitat per als fabricants de màquines de marcatge làser, com araBluhm Sistema.
La demanda de traçabilitat dels components està creixent
Una altra tendència important en el camp del marcatge làser és la garantia i el perfeccionament de la traçabilitat: la identificació individual d'un producte mitjançant una marca d'identificació única a la seva superfície. Aquest marcatge pot adoptar moltes formes, però cada cop és més popular i important l'ús de matrius de dades com ara codis bidimensionals (codis QR).
En marcar un producte individual amb el seu propi codi de matriu de dades únic, es pot identificar fàcilment de manera no intrusiva amb detalls clau com ara el fabricant, el número de lot i la vida útil. Això proporciona garantia de qualitat: consumidors i usuaris poden determinar l'origen exacte d'un producte. Aquesta garantia de qualitat crea un vincle directe entre el consumidor i el fabricant i aporta un valor afegit al producte, que els permet competir amb la fabricació de menor cost. A causa de la seva increïble precisió, el làser és ideal per escriure codis detallats de tan sols 200 μm de mida, massa petits per ser vists per algú que passa, però fàcil de comprovar amb un telèfon intel·ligent si una persona coneix la seva ubicació. Amb aquestes mides, les matrius de dades es poden utilitzar amb finalitats contra la falsificació, cosa que facilita la comprovació de l'autenticitat dels productes d'alta qualitat de manera no intrusiva. Això té un gran impacte en la indústria farmacèutica, ja que és una manera de garantir que medicaments com les píndoles no es produeixin i es distribueixin de manera fraudulenta.
La traçabilitat dels components també té un paper important quan s'utilitza com a prova en litigis. Per exemple, si algú té un trasplantament mèdic i el trasplantament falla, la traçabilitat li permet saber exactament què ha fallat, on ha anat malament i en quin lot ha anat malament. Sens dubte, això augmenta l'eficiència en coses com la retirada de productes, però també ofereix més autonomia al client. Potser no és obvi, però a mesura que la societat s'interessa més pels litigis, la tecnologia que pot millorar els veredictes dels litigis haurà de mantenir-se al dia.
La traçabilitat també contribueix a una altra tendència en la fabricació: millorar la sostenibilitat ambiental i reduir l'impacte ecològic. En fer el seguiment d'un producte per saber quan falla, o saber quan arriba al final del seu cicle de vida, els fabricants són més capaços de substituir i reciclar de manera proactiva. Això també significa que els productes es poden retornar per a la seva renovació tal com s'ha previst, de manera que menys equips poden acabar als abocadors.
Tanmateix, els sistemes actuals d'etiquetatge de matrius de dades s'enfronten a molts reptes. Alguns materials dificulten la manipulació, especialment el vidre i els polímers, així com metalls i làmines prims. El marcatge també ha de ser permanent i estable, i el sistema ha de poder adaptar-se a una àmplia gamma de mides de producte.
Un repte particular per a algunes màquines de marcatge làser és marcar en superfícies no planes. Les impressores d'injecció de tinta encara superen en nombre els sistemes basats en làser en aquesta àrea. Com a resultat, els enginyers de sistemes estan treballant per superar aquests reptes. Per exemple, alguns fabricants de sistemes de marcatge làser ofereixen làsers de CO2 i fibra amb una potència mitjana de 20-500 W i temps de cicle variables, equipats amb òptiques d'enfocament d'ajust automàtic per utilitzar-les en superfícies 3D que es poden ajustar a la curvatura de l'objecte. Per tenir en compte les superfícies amb geometries desconegudes, els sistemes utilitzen un sistema de visió d'enfocament automàtic que primer escaneja la superfície 3D i després ajusta el focus làser durant el procés de marcatge.
Tanmateix, les superfícies no planes no són l'únic repte que s'enfronten els fabricants de sistemes de marcatge làser. El doctor Florent Thibaut, director general d'un fabricant de solucions de marcatge làser, explica: "En molts casos, les solucions de marcatge que estan estandarditzades a nivell mundial, com ara la injecció de tinta, no són capaços de complir els requisits necessaris per proporcionar una marca específica per a cada producte. Actualment. , l'ús habitual dels làsers ja està disponible com a mètode continu, igual que amb un bolígraf. Tanmateix, això no és prou ràpid: hem de trobar una solució que equilibri el volum de producció i la precisió".
El marcatge seqüencial es veu afectat perquè el marcatge làser ha de canviar per a cada producte, per la qual cosa és fonamental disposar d'una tecnologia de marcatge que es pugui adaptar a cada producte. Els fabricants requereixen un rendiment extremadament elevat -el marcatge s'ha d'adaptar i la velocitat de marcatge ha de ser alta- i això ni tan sols té en compte les dificultats de processar determinats materials com el vidre o els polímers.
Per resoldre aquest problema, un fabricant de solucions de marcatge làser ha patentat la seva tecnologia VULQ1, que va guanyar el premi Laser Systems Innovation Award a la Laser World Photonics Industrial Production Engineering d'enguany, que no opta per l'ús d'un feix continu de llum (com és el cas amb sistemes de marcatge convencionals). En lloc d'això, utilitza centenars de raigs de llum per produir un efecte semblant a un segell, produint un codi de matriu de dades sencer en un instant. El mètode utilitzat per produir aquest segell únic és la conformació dinàmica del feix, que s'aconsegueix mitjançant components com el modulador de llum espacial (SLM), que es pot ajustar per tir per crear feixos amb una estructura única.
Tot i que altres tecnologies de marcatge làser poden prioritzar altes taxes de repetició per a un alt rendiment, aquesta tecnologia utilitza una major energia de pols i un processament paral·lel per obtenir millors resultats.
Thibaut diu: "Aquest esquema de marcatge semblant a un segell desbloqueja un enorme potencial de productivitat per al marcatge de codis de barres 2D i és senzill d'implementar".
Per exemple, la seva tecnologia es pot utilitzar per marcar peces mèdiques de PVC amb un codi de matriu de dades de 570-μm d'amplada a una velocitat de 77,000 per hora. Altres materials que el sistema pot marcar inclouen alumini recobert amb polímer HDPE; vidre de soda-calç; vidre de borosilicat, or pur i compost modelat epoxi.
Thibault afegeix: "Les mides dels patrons poden ser tan petites com 100 μm mantenint una llegibilitat perfectament clara, fins i tot quan es marquen en línia recta, ja que tots els punts estan marcats simultàniament". A més, com que no ha de dependre de freqüències de repetició altes, la tecnologia pot crear sistemes que utilitzen làsers Nd: YAG d'infrarojos i verds comercials amb freqüències de repetició d'uns 20-30Hz, assegurant que els seus sistemes continuar sent el més rendible possible.
El làser ultraràpid converteix el vidre en emmagatzematge de dades
Una altra nova àrea interessant del marcatge làser és l'emmagatzematge de dades. Els investigadors afirmen que poden produir sistemes d'emmagatzematge de dades eficients mitjançant làsers ultraràpides per codificar dades en suports de vidre/cristall. Les dades s'emmagatzemen en vidre/cristall en forma de microablació i, un cop produïdes, es podran conservar durant una increïble quantitat de temps.
L'any 2013,Hitachiva anunciar el seu primer sistema d'emmagatzematge de dades de cristall de quars, i el 2014, investigadors del Centre de Recerca en Optoelectrònica (ORC) de la Universitat de Southampton van anunciar el seu desenvolupament d'un sistema de vidre gravat amb làser de femtosegon. L'ORC ha començat a col·laborar amb Microsoft Research sobre "Project Silica" ORC ha començat a treballar amb Microsoft Research sobre "Project Silica", que promet desenvolupar sistemes d'emmagatzematge a escala zb i "repensar fonamentalment com construir sistemes d'emmagatzematge massiu".
Escriure sobre vidre no és una tasca fàcil, però, i els sistemes làser de pols UV o CO2 estàndard poden crear microesquerdes: l'escalfament excessiu de la superfície del material pot provocar danys als punts calents tèrmics. Tot i que això es pot evitar reduint l'energia del pols, no és ideal quan es requereix una alta precisió. És per això que els investigadors estan recorrent a sistemes làser ultraràpids (femtosegons) per minimitzar el risc de danys tèrmics. La durada ultra curta del pols d'alta energia assegura que s'entrega prou energia al material per marcar-lo amb una precisió extrema, creant només zones afectades per la calor mínimes i evitant microesquerdes.
La limitació actual d'aquesta tecnologia és la velocitat extremadament baixa d'escriptura de dades, i l'escriptura de dades a escala Tb pot trigar anys a completar-se. Afortunadament, els avenços en curs suggereixen maneres d'augmentar la velocitat d'escriptura de dades. L'any passat, els investigadors de l'ORC van publicar un mètode d'escriptura làser d'eficiència energètica a la revista Optica: aquest mètode no només és ràpid, sinó que pot emmagatzemar unes 500 Tb de dades en discos de sílice de mida CD: són 10,000 vegades més dens que la tecnologia d'emmagatzematge Blu-ray Disc.
El nou mètode dels investigadors utilitza un làser de fibra de 515 nm amb una freqüència de repetició de 10 MHz i una durada de pols de 250 fs per crear petites fosses al vidre de sílice, que contenen estructures nanolaminars individuals que mesuren només 500 × 50 nm. Aquestes nanoestructures d'alta densitat es poden utilitzar per a l'emmagatzematge de dades òptiques a llarg termini. Els investigadors van aconseguir una velocitat d'escriptura d'1,000,000 vòxels per segon, que equival a gravar uns 225 KB de dades (més de 100 pàgines de text) per segon.
El nou mètode es va utilitzar per escriure 5 GB de dades de text en un disc de vidre de silici de la mida d'un CD-ROM convencional amb una precisió de lectura gairebé del 100%. Cada voxel conté quatre bits d'informació, amb cada dos voxels corresponents a un caràcter de text. Utilitzant la densitat d'escriptura proporcionada pel mètode, el disc podrà contenir 500 Tb de dades. En actualitzar el sistema per a l'escriptura paral·lela, hauria de ser factible escriure tantes dades en uns 60 dies, van dir els investigadors.
