Dalla metà degli-1960 anni, i laser sono stati utilizzati per tracciare segni, incidere e tagliare. La prima macchina per marcatura laser al mondo è stata sviluppata nel 1965 per la futura perforazione di fori negli stampi per la produzione di diamanti e successivamente la tecnologia ha acquisito un rapido slancio.
L'introduzione anticipata diLaser CO2 per la marcaturaavvenne nel 1967 e la tecnologia raggiunse la maturità a metà degli anni '90 attraverso la commercializzazione dei moderni sistemi laser a CO2. Da allora, i sistemi di marcatura laser sono diventati un pilastro in un'ampia gamma di settori, dall'aerospaziale alla produzione di dispositivi medici, al settore farmaceutico e alla vendita al dettaglio.
Nonostante la concorrenza con altre tecnologie come la stampa a getto d’inchiostro, i laser si sono affermati come una tecnologia di marcatura potente, economica e ripetibile. È importante sottolineare che il processo è ecologico e non richiede materiali di consumo (come inchiostro, cartucce e carta). Ora, i sistemi di marcatura laser non si basano più esclusivamente sui laser CO2; altri, come i laser a fibra e le sorgenti luminose a stato solido Nd:YAG, offrono ingombri ridotti, costi di manutenzione inferiori e alternative efficienti; e i progressi nelle capacità tecnologiche sono evidenti. Le macchine di marcatura laser commerciali più veloci possono ora elaborare decine di migliaia di parti all’ora.
Sebbene l’evoluzione della tecnologia di marcatura laser sia stata rapida, i produttori e gli utenti dei sistemi di marcatura laser sono ora alla ricerca di nuove strade per ampliare i confini della tecnologia di marcatura per affrontare nuove sfide e migliorare i risultati di elaborazione.
Marcatura laser di circuiti ceramici
Queste sfide derivano da nuovi materiali da lavorare e nuove applicazioni da servire, ciascuno dei quali stimola la necessità di crescita e innovazione, plasmando al contempo il mercato per lo sviluppo di sistemi laser.
Per esempio,ceramicasono uno dei materiali in più rapida crescita nella lavorazione laser e questo materiale è particolarmente importante nella produzione di parti di semiconduttori e circuiti stampati. Spesso definite la "madre di tutti i prodotti di sistemi elettronici", i circuiti stampati (PCB) sono un componente utilizzato praticamente in tutti i prodotti elettronici e piccoli cambiamenti nello sviluppo dei PCB hanno un impatto significativo sulle tendenze del mercato.
Negli ultimi anni, l’attenzione si è spostata sull’uso della ceramica nei circuiti stampati convenzionali (PCB), realizzati con resine epossidiche plastiche come FP4. I circuiti stampati in ceramica offrono un'eccellente trattabilità termica, sono facili da implementare e forniscono prestazioni superiori rispetto ai PCB non ceramici. Tuttavia, molte tecniche di marcatura, come la serigrafia, non sono adatte alla ceramica. La marcatura con inchiostro della ceramica è scomoda, richiede numerosi materiali di consumo e non è resistente all'abrasione. La fragilità e la durezza della ceramica la rendono anche uno dei materiali più difficili da marcare.
Di conseguenza, negli ultimi anni i laser sono diventati importanti come alternativa alla tecnologia di stampa a inchiostro e molte aziende produttrici di laser hanno sviluppato sistemi particolarmente adatti alla marcatura su ceramica, come i laser UV a stato solido pompati a diodi, nonché i convenzionali laser a CO2. laser.
"Ciò include una tendenza verso la miniaturizzazione", afferma Andrew May, direttore di un'azienda di marcatura laser. Tuttavia, sottolinea, anche l'introduzione di nuove tendenze di mercato richiede tempo: "C'è una nuova applicazione ogni settimana? No. Ma 15 anni fa non abbiamo mai segnato sulla ceramica in miniatura, e ora lo facciamo."
Materiali, forme e dimensioni più flessibili
Tuttavia, nonostante la sua rapida crescita, la marcatura ceramica nel settore elettronico non rappresenta attualmente il mercato più importante per l'azienda di marcatura laser. "L'industria più importante per noi è quella dei dispositivi medici", afferma Andrew May, "poi l'automotive, l'elettronica e i componenti di ingegneria generale. La gamma di prodotti richiesti varia notevolmente a seconda dell'industria e dell'industria in questione."
L'azienda dispone di otto sistemi laser (cinque dei quali azionati da Galv) che forniscono servizi di marcatura per un'ampia varietà di applicazioni. Per questo motivo e poiché l'azienda acquisisce sempre nuovi clienti con esigenze personalizzate, May sottolinea che la capacità di essere flessibili è vitale. Di conseguenza, utilizza laser adatti alla marcatura di diversi materiali, forme e dimensioni, nonché di lotti di dimensioni diverse. Anche la gamma di marcatori che può offrire è diversificata quanto la sua base di clienti, con i suoi laser in grado di produrre qualsiasi cosa, dai codici alla grafica e alle matrici di dati, il tutto ad alta velocità e con elevata riproducibilità.
Soddisfare questa flessibilità è quindi una necessità per i produttori di macchine per marcatura laser comeBluhm Systeme.
La richiesta di tracciabilità dei componenti è in crescita
Un'altra tendenza importante nel campo della marcatura laser è la garanzia e il perfezionamento della tracciabilità: l'identificazione individuale di un prodotto mediante un segno identificativo univoco sulla sua superficie. Questa marcatura può assumere molte forme, ma sempre più popolare e importante è l'uso di matrici di dati come codici bidimensionali (codici QR).
Contrassegnando un singolo prodotto con il proprio codice a matrice di dati univoco, è possibile identificarlo facilmente in modo non intrusivo con dettagli chiave come produttore, numero di lotto e durata. Ciò fornisce garanzia di qualità: consumatori e utenti possono determinare l'origine esatta di un prodotto. Questa garanzia di qualità crea un collegamento diretto tra il consumatore e il produttore e conferisce valore aggiunto al prodotto, consentendo loro di competere con la produzione a basso costo. Grazie alla sua incredibile precisione, il laser è ideale per scrivere codici dettagliati di dimensioni fino a 200 μm: troppo piccoli per essere visti da qualcuno che passa, ma facilmente controllabili con uno smartphone se una persona conosce la loro posizione. A tali dimensioni, le matrici di dati possono essere utilizzate per scopi anticontraffazione, semplificando il controllo dell'autenticità di beni di alta qualità in modo non intrusivo. Ciò ha un enorme impatto sull’industria farmaceutica poiché è un modo per garantire che medicinali come le pillole non vengano prodotti e distribuiti in modo fraudolento.
Anche la tracciabilità dei componenti svolge un ruolo importante se utilizzata come prova in un contenzioso. Ad esempio, se qualcuno ha un trapianto medico e il trapianto fallisce, la tracciabilità consente di sapere esattamente cosa è andato storto, dove è andato storto e in quale lotto è andato storto. Ciò aumenta sicuramente l’efficienza in cose come i richiami dei prodotti, ma dà anche al cliente maggiore autonomia. Potrebbe non essere ovvio, ma man mano che la società diventa sempre più interessata alle controversie, la tecnologia in grado di migliorare i verdetti delle controversie dovrà tenere il passo.
La tracciabilità contribuisce anche a un’altra tendenza nel settore manifatturiero: migliorare la sostenibilità ambientale e ridurre l’impatto ecologico. Tracciando un prodotto per sapere quando si guasta o quando raggiunge la fine del suo ciclo di vita, i produttori sono maggiormente in grado di sostituirlo e riciclarlo in modo proattivo. Ciò significa anche che i prodotti possono essere restituiti per la ristrutturazione come previsto, quindi meno apparecchiature potrebbero finire in discarica.
Tuttavia, gli attuali sistemi di etichettatura a matrice di dati devono affrontare molte sfide. Alcuni materiali rendono più difficile la manipolazione, in particolare vetro e polimeri, nonché metalli sottili e lamine. La marcatura deve inoltre essere permanente e stabile e il sistema deve essere in grado di accogliere un'ampia gamma di dimensioni di prodotti.
Una sfida particolare per alcune macchine di marcatura laser è la marcatura su superfici non planari. In questo settore le stampanti a getto d’inchiostro sono ancora più numerose dei sistemi basati su laser. Di conseguenza, gli ingegneri di sistema stanno lavorando per superare queste sfide. Ad esempio, alcuni produttori di sistemi di marcatura laser offrono laser a CO2 e a fibra con una potenza media di 20-500 W e tempi di ciclo variabili, dotati di ottiche di focalizzazione a regolazione automatica per l'uso su superfici 3D che possono essere adattate alla curvatura di l'oggetto. Per tenere conto delle superfici con geometrie sconosciute, i sistemi utilizzano un sistema di visione con messa a fuoco automatica che prima scansiona la superficie 3D e quindi regola la messa a fuoco del laser durante il processo di marcatura.
Tuttavia, le superfici non piane non sono l’unica sfida che devono affrontare i produttori di sistemi di marcatura laser. Florent Thibaut, amministratore delegato di un produttore di soluzioni di marcatura laser, spiega: "In molti casi, le soluzioni di marcatura standardizzate a livello globale, come il getto d'inchiostro, non sono in grado di soddisfare i requisiti necessari per fornire un marchio specifico per ciascun prodotto. Attualmente , l'uso abituale del laser è già disponibile come metodo continuo, proprio come l'uso di una penna. Tuttavia, questo non è abbastanza veloce: dobbiamo trovare una soluzione che bilanci volume di produzione e precisione."
La marcatura sequenziale è interessata perché la marcatura laser deve cambiare per ciascun prodotto, quindi è fondamentale disporre di una tecnologia di marcatura che possa essere adattata a ciascun prodotto. I produttori richiedono una produttività estremamente elevata - la marcatura deve adattarsi e la velocità di marcatura deve essere elevata - e questo non tiene nemmeno conto delle difficoltà di lavorazione di alcuni materiali come il vetro o i polimeri.
Per risolvere questo problema, un produttore di soluzioni di marcatura laser ha brevettato la sua tecnologia VULQ1, che ha vinto il Laser Systems Innovation Award al Laser World Photonics Industrial Production Engineering di quest'anno, che non opta per l'uso di un raggio di luce continuo (come avviene invece per caso con sistemi di marcatura convenzionali). Utilizza invece centinaia di raggi luminosi per produrre un effetto simile a quello di un timbro, producendo un intero codice Data Matrix in un istante. Il metodo utilizzato per produrre questo timbro unico è la modellazione dinamica del raggio, che viene eseguita utilizzando componenti come lo Spatial Light Modulator (SLM), che può essere regolato in base allo scatto per creare raggi con una struttura unica.
Mentre altre tecnologie di marcatura laser possono dare priorità a tassi di ripetizione elevati per una produttività elevata, questa tecnologia utilizza un'energia di impulso più elevata e un'elaborazione parallela per risultati migliori.
Thibaut afferma: "Questo schema di marcatura simile a un timbro sblocca un enorme potenziale di produttività per la marcatura di codici a barre 2D ed è semplice da implementare".
Ad esempio, la sua tecnologia può essere utilizzata per contrassegnare parti mediche in PVC con un codice Data Matrix di 570-μm di larghezza a una velocità di 77,000 all'ora. Altri materiali che il sistema può marcare includono alluminio rivestito con polimero HDPE; vetro sodico-calcico; vetro borosilicato, oro puro e composito stampato epossidico.
Thibault aggiunge: "Le dimensioni del disegno possono arrivare fino a 100 μm mantenendo una leggibilità perfettamente chiara, anche quando si marca in linea retta, poiché tutti i punti vengono marcati simultaneamente." Inoltre, poiché non deve fare affidamento su frequenze di ripetizione elevate, la tecnologia può costruire sistemi utilizzando laser Nd:YAG verdi e infrarossi standardizzati con frequenze di ripetizione di circa 20-30Hz, garantendo che i suoi sistemi rimanere il più conveniente possibile.
Il laser ultraveloce trasforma il vetro in un archivio dati
Un'altra nuova ed entusiasmante area della marcatura laser è l'archiviazione dei dati. I ricercatori affermano di poter produrre efficienti sistemi di archiviazione dei dati utilizzando laser ultraveloci per codificare i dati su supporti di vetro/cristallo. I dati vengono archiviati in vetro/cristallo sotto forma di microablazione e, una volta prodotti, potranno essere conservati per un periodo di tempo sorprendente.
Nel 2013,Hitachiha annunciato il suo primo sistema di archiviazione dati a cristalli di quarzo e nel 2014 i ricercatori dell'Optoelectronics Research Center (ORC) dell'Università di Southampton hanno annunciato il loro sviluppo di un sistema di vetro inciso al laser a femtosecondi. L'ORC ha iniziato a collaborare con Microsoft Research sul "Project Silica" L'ORC ha iniziato a lavorare con Microsoft Research sul "Project Silica", che promette di sviluppare sistemi di storage su scala zb e di "ripensare radicalmente come costruire sistemi di storage di massa".
Scrivere su vetro, tuttavia, non è un compito facile e i sistemi laser pulsati UV o CO2 standard possono creare microfessure: un riscaldamento eccessivo della superficie del materiale può causare danni nei punti caldi termici. Sebbene ciò possa essere aggirato riducendo l'energia dell'impulso, non è l'ideale quando è richiesta un'elevata precisione. Questo è il motivo per cui i ricercatori si stanno rivolgendo a sistemi laser ultraveloci (femtosecondi) per ridurre al minimo il rischio di danni termici. La durata ultrabreve dell'impulso ad alta energia garantisce che venga erogata al materiale energia sufficiente per marcarlo con estrema precisione, creando solo zone minime alterate dal calore ed evitando microfessurazioni.
L’attuale limite di questa tecnologia è la velocità estremamente bassa di scrittura dei dati e il completamento della scrittura di dati su scala Tb può richiedere anni. Per fortuna, le scoperte in corso suggeriscono modi per aumentare la velocità di scrittura dei dati. L'anno scorso, i ricercatori ORC hanno pubblicato sulla rivista Optica un metodo di scrittura laser ad alta efficienza energetica: non solo questo metodo è veloce, ma può memorizzare circa 500 Tb di dati su dischi di silice delle dimensioni di un CD: sono 10,000 volte più denso della tecnologia di archiviazione Blu-ray Disc.
Il nuovo metodo dei ricercatori utilizza un laser a fibra da 515 nm con una frequenza di ripetizione di 10 MHz e una durata dell'impulso di 250 fs per creare minuscoli pozzi nel vetro di silice, che contengono singole strutture nanolaminari che misurano solo 500 × 50 nm. Queste nanostrutture ad alta densità possono essere utilizzate per l'archiviazione ottica di dati a lungo termine. I ricercatori hanno raggiunto una velocità di scrittura di 1,000,000 voxel al secondo, che equivale a registrare circa 225 KB di dati (più di 100 pagine di testo) al secondo.
Il nuovo metodo è stato utilizzato per scrivere 5 GB di dati di testo su un disco di vetro al silicio delle dimensioni di un CD-ROM convenzionale con una precisione di lettura quasi del 100%. Ogni voxel contiene quattro bit di informazioni, ogni due voxel corrisponde a un carattere di testo. Utilizzando la densità di scrittura fornita dal metodo, il disco sarà in grado di contenere 500 Tb di dati. Aggiornando il sistema per la scrittura parallela, dovrebbe essere possibile scrivere così tanti dati in circa 60 giorni, hanno affermato i ricercatori.
