Kể từ giữa những năm-1960, tia laser đã được sử dụng để tạo dấu, khắc và cắt. Máy đánh dấu laser đầu tiên trên thế giới được phát triển vào năm 1965 để khoan lỗ trên khuôn sản xuất kim cương trong tương lai và công nghệ này sau đó đã đạt được đà phát triển nhanh chóng.
Sự giới thiệu sớm củaLaser CO2 để đánh dấuxảy ra vào năm 1967 và công nghệ này đã đạt đến mức trưởng thành vào giữa{1}} thông qua việc thương mại hóa các hệ thống laser CO2 hiện đại. Kể từ đó, hệ thống đánh dấu bằng laser đã trở thành trụ cột trong nhiều ngành công nghiệp từ hàng không vũ trụ đến sản xuất thiết bị y tế, dược phẩm và bán lẻ.
Mặc dù phải cạnh tranh với các công nghệ khác như in phun, nhưng tia laser vẫn được coi là công nghệ tạo dấu hiệu mạnh mẽ, chi phí thấp và có thể lặp lại. Điều quan trọng là quy trình này thân thiện với môi trường và không yêu cầu vật tư tiêu hao (chẳng hạn như mực, hộp mực và giấy). Giờ đây, hệ thống đánh dấu bằng laser không còn chỉ dựa vào laser CO2 nữa; những loại khác, chẳng hạn như laser sợi quang và nguồn sáng trạng thái rắn Nd: YAG, có diện tích nhỏ hơn, chi phí bảo trì thấp hơn và các lựa chọn thay thế hiệu quả; và những tiến bộ về năng lực công nghệ là điều hiển nhiên. Các máy khắc laser thương mại nhanh nhất hiện nay có thể xử lý hàng chục nghìn bộ phận mỗi giờ.
Trong khi sự phát triển của công nghệ đánh dấu bằng laser ngày càng nhanh chóng, các nhà sản xuất và người sử dụng hệ thống đánh dấu bằng laser hiện đang tìm kiếm những con đường mới để vượt qua ranh giới của công nghệ đánh dấu nhằm đáp ứng những thách thức mới và cải thiện kết quả xử lý.
Đánh dấu bằng tia laser mạch gốm
Những thách thức này đến từ các vật liệu mới cần xử lý và các ứng dụng mới cần đáp ứng - mỗi thách thức đều thúc đẩy nhu cầu tăng trưởng và đổi mới đồng thời định hình thị trường phát triển hệ thống laser.
Ví dụ,gốm sứlà một trong những vật liệu phát triển nhanh nhất trong xử lý laser và vật liệu này đặc biệt quan trọng trong sản xuất các bộ phận bán dẫn và bảng mạch. Thường được gọi là "mẹ của tất cả các sản phẩm hệ thống điện tử", bảng mạch in (PCB) là thành phần được sử dụng trong hầu hết tất cả các sản phẩm điện tử và những thay đổi nhỏ trong quá trình phát triển PCB có tác động đáng kể đến xu hướng thị trường.
Trong những năm gần đây, trọng tâm đã chuyển sang sử dụng gốm sứ trong các bảng mạch in thông thường (PCB), được làm từ nhựa epoxy như FP4. Bảng mạch gốm có khả năng xử lý nhiệt tuyệt vời, dễ thực hiện và mang lại hiệu suất vượt trội so với PCB không phải gốm. Tuy nhiên, nhiều kỹ thuật đánh dấu - chẳng hạn như xử lý màn hình không phù hợp với gốm sứ. Việc đánh dấu bằng mực trên gốm sứ rất cồng kềnh, cần nhiều vật tư tiêu hao và không có khả năng chống mài mòn. Độ giòn và độ cứng của gốm sứ cũng khiến chúng trở thành một trong những vật liệu khó đánh dấu hơn.
Kết quả là, tia laser đã trở nên nổi bật trong những năm gần đây như một giải pháp thay thế cho công nghệ in mực, và nhiều công ty laser đã phát triển các hệ thống đặc biệt phù hợp với dấu gốm, chẳng hạn như laser UV trạng thái rắn được bơm đi-ốt, cũng như CO2 thông thường. tia laser.
Andrew May, giám đốc một công ty khắc laser cho biết: “Điều này bao gồm xu hướng thu nhỏ”. Tuy nhiên, ông nhấn mạnh rằng việc giới thiệu các xu hướng thị trường mới cũng cần có thời gian, "Có ứng dụng mới nào mỗi tuần không? Không. Nhưng 15 năm trước, chúng tôi chưa bao giờ đánh dấu trên gốm sứ thu nhỏ, và bây giờ chúng tôi đã làm được."
Vật liệu, hình dạng và kích thước linh hoạt hơn
Tuy nhiên, bất chấp tốc độ tăng trưởng nhanh chóng, việc đánh dấu bằng gốm trong thiết bị điện tử hiện không phải là thị trường lớn nhất của công ty đánh dấu bằng laser. Andrew May cho biết: "Ngành công nghiệp lớn nhất đối với chúng tôi là thiết bị y tế, sau đó là ô tô, điện tử và linh kiện kỹ thuật nói chung. Phạm vi sản phẩm được yêu cầu rất khác nhau tùy thuộc vào ngành và ngành được đề cập."
Công ty có tám hệ thống laser (năm trong số đó được điều khiển bằng Galv) cung cấp dịch vụ đánh dấu cho nhiều ứng dụng khác nhau. Vì điều này và vì công ty luôn có được những khách hàng mới với những yêu cầu riêng biệt - May nhấn mạnh rằng khả năng linh hoạt là rất quan trọng. Do đó, nó sử dụng tia laser phù hợp để đánh dấu các vật liệu, hình dạng và kích cỡ khác nhau cũng như các kích cỡ lô khác nhau. Phạm vi đánh dấu mà nó có thể cung cấp cũng đa dạng như cơ sở khách hàng của nó, với tia laser có khả năng tạo ra mọi thứ từ mã đến đồ họa và ma trận dữ liệu - tất cả đều ở tốc độ cao và độ tái lập cao.
Do đó, việc đáp ứng tính linh hoạt này là điều cần thiết đối với các nhà sản xuất máy khắc laser nhưHệ thống Bluhm.
Nhu cầu truy xuất nguồn gốc linh kiện ngày càng tăng
Một xu hướng quan trọng khác trong lĩnh vực đánh dấu bằng laser là đảm bảo và sàng lọc khả năng truy xuất nguồn gốc - nhận dạng riêng lẻ sản phẩm bằng dấu hiệu nhận dạng duy nhất trên bề mặt của nó. Việc đánh dấu này có thể có nhiều dạng, nhưng ngày càng phổ biến và quan trọng là việc sử dụng ma trận dữ liệu như mã hai chiều (mã QR).
Bằng cách đánh dấu một sản phẩm riêng lẻ bằng mã ma trận dữ liệu duy nhất của riêng nó, nó có thể dễ dàng được xác định theo cách không xâm phạm bằng các chi tiết chính như nhà sản xuất, số lô và vòng đời. Điều này mang lại sự đảm bảo về chất lượng: người tiêu dùng và người sử dụng có thể xác định chính xác nguồn gốc của sản phẩm. Việc đảm bảo chất lượng này tạo ra mối liên kết trực tiếp giữa người tiêu dùng và nhà sản xuất, đồng thời mang lại giá trị gia tăng cho sản phẩm, cho phép họ cạnh tranh với các sản phẩm sản xuất có chi phí thấp hơn. Do độ chính xác đáng kinh ngạc, tia laser này rất phù hợp để viết các mã chi tiết có kích thước nhỏ tới 200 μm - quá nhỏ để người đi ngang qua có thể nhìn thấy nhưng có thể dễ dàng kiểm tra bằng điện thoại thông minh nếu người đó biết vị trí của họ. Với kích thước như vậy, ma trận dữ liệu có thể được sử dụng cho mục đích chống hàng giả, giúp dễ dàng kiểm tra tính xác thực của hàng hóa chất lượng cao một cách không xâm phạm. Điều này có tác động rất lớn đến ngành dược phẩm vì đây là cách để đảm bảo rằng các loại thuốc như thuốc viên không được sản xuất và phân phối một cách gian lận.
Truy xuất nguồn gốc thành phần cũng đóng một vai trò quan trọng khi được sử dụng làm bằng chứng trong kiện tụng. Ví dụ, nếu ai đó được cấy ghép y tế và việc cấy ghép không thành công, việc truy xuất nguồn gốc cho phép họ biết chính xác điều gì đã xảy ra, sai sót ở đâu và sai sót ở lô nào. Điều này chắc chắn làm tăng hiệu quả trong những việc như thu hồi sản phẩm, nhưng nó cũng mang lại cho khách hàng nhiều quyền tự chủ hơn. Điều này có thể không rõ ràng, nhưng khi xã hội ngày càng quan tâm đến kiện tụng hơn, công nghệ có thể nâng cao các phán quyết kiện tụng sẽ phải theo kịp.
Truy xuất nguồn gốc cũng góp phần tạo ra một xu hướng khác trong sản xuất: cải thiện tính bền vững môi trường và giảm tác động sinh thái. Bằng cách theo dõi một sản phẩm để biết khi nào nó bị lỗi hoặc biết khi nào nó kết thúc vòng đời, các nhà sản xuất có thể chủ động thay thế và tái chế tốt hơn. Điều này cũng có nghĩa là sản phẩm có thể được trả lại để tân trang như dự định, do đó, ít thiết bị có thể bị đưa vào bãi chôn lấp hơn.
Tuy nhiên, hệ thống ghi nhãn ma trận dữ liệu hiện tại phải đối mặt với nhiều thách thức. Một số vật liệu khiến việc xử lý trở nên khó khăn hơn - đặc biệt là thủy tinh và polyme, cũng như kim loại mỏng và lá mỏng. Việc đánh dấu cũng phải lâu dài và ổn định, đồng thời hệ thống phải có khả năng đáp ứng nhiều kích cỡ sản phẩm.
Một thách thức đặc biệt đối với một số máy đánh dấu bằng laser là đánh dấu trên các bề mặt không phẳng. Máy in phun vẫn vượt trội so với các hệ thống dựa trên laser trong lĩnh vực này. Do đó, các kỹ sư hệ thống đang nỗ lực vượt qua những thách thức này. Ví dụ: một số nhà sản xuất hệ thống đánh dấu bằng laze cung cấp laze CO2 và laze sợi quang có công suất trung bình 20-500 W và thời gian chu kỳ khác nhau, được trang bị hệ thống quang học lấy nét tự động điều chỉnh để sử dụng trên các bề mặt 3D có thể được điều chỉnh theo độ cong của đối tượng. Để tính toán các bề mặt có hình dạng chưa xác định, hệ thống sử dụng hệ thống thị giác tự động lấy nét, trước tiên quét bề mặt 3D và sau đó điều chỉnh tiêu điểm laser trong quá trình đánh dấu.
Tuy nhiên, bề mặt không phẳng không phải là thách thức duy nhất mà các nhà sản xuất hệ thống đánh dấu bằng laser phải đối mặt. Tiến sĩ Florent Thibaut, Giám đốc điều hành của một nhà sản xuất giải pháp đánh dấu bằng laser, giải thích: “Trong nhiều trường hợp, các giải pháp đánh dấu được tiêu chuẩn hóa trên toàn cầu, chẳng hạn như máy in phun, không thể đáp ứng các yêu cầu cần thiết để cung cấp dấu hiệu cụ thể cho từng sản phẩm. Hiện tại , việc sử dụng tia laser thông thường đã có sẵn dưới dạng phương pháp liên tục, giống như sử dụng bút. Tuy nhiên, cách này chưa đủ nhanh - chúng tôi cần tìm giải pháp cân bằng giữa khối lượng sản xuất và độ chính xác."
Việc đánh dấu theo trình tự bị ảnh hưởng vì việc đánh dấu bằng laser phải thay đổi đối với từng sản phẩm, do đó, việc có một công nghệ đánh dấu có thể thích ứng với từng sản phẩm là rất quan trọng. Các nhà sản xuất yêu cầu năng suất cực cao - việc đánh dấu phải thích ứng và tốc độ đánh dấu phải cao - và điều này thậm chí còn chưa tính đến những khó khăn khi xử lý một số vật liệu nhất định như thủy tinh hoặc polyme.
Để giải quyết vấn đề này, một nhà sản xuất giải pháp đánh dấu bằng laser đã được cấp bằng sáng chế cho công nghệ VULQ1, công nghệ này đã giành được Giải thưởng Đổi mới Hệ thống Laser tại Kỹ thuật Sản xuất Công nghiệp Quang tử Thế giới Laser năm nay, công nghệ này không chọn sử dụng một chùm ánh sáng liên tục (như trường hợp với hệ thống đánh dấu thông thường). Thay vào đó, nó sử dụng hàng trăm chùm ánh sáng để tạo ra hiệu ứng giống như con tem - tạo ra toàn bộ mã ma trận dữ liệu ngay lập tức. Phương pháp được sử dụng để tạo ra con dấu độc đáo này là tạo hình chùm tia động, được thực hiện bằng cách sử dụng các thành phần như Bộ điều biến ánh sáng không gian (SLM), có thể điều chỉnh trên cơ sở mỗi lần chụp để tạo ra các chùm tia có cấu trúc độc đáo.
Trong khi các công nghệ đánh dấu bằng laser khác có thể ưu tiên tốc độ lặp lại cao để có thông lượng cao thì công nghệ này sử dụng năng lượng xung cao hơn và xử lý song song để có kết quả tốt hơn.
Thibaut cho biết: "Kế hoạch đánh dấu giống như con tem này mở ra tiềm năng năng suất to lớn cho việc đánh dấu mã vạch 2D và rất đơn giản để thực hiện."
Ví dụ: công nghệ của nó có thể được sử dụng để đánh dấu các bộ phận y tế PVC bằng mã ma trận dữ liệu rộng 570-μm với tốc độ 77,000 mỗi giờ. Các vật liệu khác mà hệ thống có thể đánh dấu bao gồm nhôm phủ nhựa HDPE; ly soda-vôi; thủy tinh borosilicate, vàng nguyên chất và hỗn hợp đúc epoxy.
Thibault cho biết thêm, "Kích thước mẫu có thể nhỏ tới 100 μm trong khi vẫn duy trì khả năng đọc hoàn toàn rõ ràng, ngay cả khi đánh dấu theo đường thẳng, vì tất cả các dấu chấm đều được đánh dấu đồng thời." Hơn nữa, vì không cần phải dựa vào tần số lặp lại cao nên công nghệ này có thể xây dựng các hệ thống sử dụng laser Nd: YAG hồng ngoại và xanh lục có sẵn với tần số lặp lại khoảng 20-30Hz, đảm bảo rằng các hệ thống của nó vẫn tiết kiệm chi phí nhất có thể.
Laser cực nhanh biến thủy tinh thành nơi lưu trữ dữ liệu
Một lĩnh vực mới thú vị khác của việc đánh dấu bằng laser là lưu trữ dữ liệu. Các nhà nghiên cứu tuyên bố họ có thể tạo ra các hệ thống lưu trữ dữ liệu hiệu quả bằng cách sử dụng tia laser cực nhanh để mã hóa dữ liệu vào môi trường thủy tinh/tinh thể. Dữ liệu được lưu trữ trong thủy tinh/tinh thể dưới dạng cắt bỏ vi mô và sau khi được tạo ra, nó sẽ có thể được bảo quản trong một khoảng thời gian đáng kinh ngạc.
Vào 2013,Hitachiđã công bố hệ thống lưu trữ dữ liệu tinh thể thạch anh đầu tiên của mình và vào năm 2014, các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Quang Điện tử (ORC) của Đại học Southampton đã công bố việc phát triển hệ thống thủy tinh khắc laser femto giây. ORC đã bắt đầu hợp tác với Microsoft Research về "Project Silica" ORC đã bắt đầu hợp tác với Microsoft Research về "Project Silica", hứa hẹn sẽ phát triển các hệ thống lưu trữ quy mô zb và "suy nghĩ lại về cơ bản cách xây dựng các hệ thống lưu trữ dung lượng lớn.
Tuy nhiên, viết trên kính không phải là một công việc dễ dàng và các hệ thống laser UV hoặc CO2 xung tiêu chuẩn có thể tạo ra các vết nứt nhỏ - bề mặt vật liệu bị nung nóng quá mức có thể dẫn đến hư hỏng tại các điểm nóng nhiệt. Mặc dù điều này có thể được khắc phục bằng cách giảm năng lượng xung, nhưng nó không lý tưởng khi cần độ chính xác cao. Đây là lý do tại sao các nhà nghiên cứu đang chuyển sang hệ thống laser cực nhanh (femto giây) để giảm thiểu nguy cơ hư hỏng do nhiệt. Khoảng thời gian cực ngắn của xung năng lượng cao đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho vật liệu để đánh dấu nó với độ chính xác cực cao, chỉ tạo ra các vùng chịu ảnh hưởng nhiệt tối thiểu và tránh các vết nứt nhỏ.
Hạn chế hiện tại của công nghệ này là tốc độ ghi dữ liệu cực thấp và việc ghi dữ liệu ở quy mô Tb có thể mất nhiều năm để hoàn thành. Rất may, những đột phá đang diễn ra đang gợi ý những cách để tăng tốc độ ghi dữ liệu. Năm ngoái, các nhà nghiên cứu ORC đã công bố một phương pháp ghi bằng laser tiết kiệm năng lượng trên tạp chí Optica: phương pháp này không chỉ nhanh mà còn có thể lưu trữ khoảng 500 Tb dữ liệu trên các đĩa silica cỡ CD - chúng có 10,000 dày đặc hơn nhiều lần so với công nghệ lưu trữ Đĩa Blu-ray.
Phương pháp mới của các nhà nghiên cứu sử dụng tia laser sợi quang 515 nm với tần số lặp lại 10 MHz và thời lượng xung 250 fs để tạo ra các lỗ nhỏ trong thủy tinh silica chứa các cấu trúc nanolaminar riêng lẻ có kích thước chỉ 500 × 50 nm. Những cấu trúc nano mật độ cao này có thể được sử dụng để lưu trữ dữ liệu quang học lâu dài. Các nhà nghiên cứu đã đạt được tốc độ ghi là 1,000,000 voxels mỗi giây, tương đương với việc ghi khoảng 225 KB dữ liệu (hơn 100 trang văn bản) mỗi giây.
Phương pháp mới được sử dụng để ghi 5GB dữ liệu văn bản vào một đĩa thủy tinh silicon có kích thước bằng một đĩa CD-ROM thông thường với độ chính xác đọc gần 100%. Mỗi voxel chứa bốn bit thông tin, cứ hai voxel tương ứng với một ký tự văn bản. Sử dụng mật độ ghi được cung cấp bởi phương pháp, đĩa sẽ có thể chứa 500 Tb dữ liệu. Các nhà nghiên cứu cho biết, bằng cách nâng cấp hệ thống để ghi song song, việc ghi nhiều dữ liệu đó trong khoảng 60 ngày là khả thi.
