Seit Mitte der {0}}er Jahre werden Laser zum Markieren, Ätzen und Schneiden verwendet. Die weltweit erste Laserbeschriftungsmaschine wurde 1965 für das künftige Bohren von Löchern in Diamantherstellungsformen entwickelt und die Technologie gewann in der Folge rasant an Bedeutung.
Die frühe Einführung vonCO2-Laser zum Markierengeschah im Jahr 1967, und die Technologie erreichte Mitte-1970s durch die Kommerzialisierung moderner CO2-Lasersysteme ihre Reife. Seitdem sind Lasermarkierungssysteme zu einem festen Bestandteil in einer Vielzahl von Branchen geworden, von der Luft- und Raumfahrt über die Herstellung medizinischer Geräte bis hin zur Pharmaindustrie und dem Einzelhandel.
Obwohl er mit anderen Technologien wie dem Tintenstrahldruck konkurriert, haben sich Laser als leistungsstarke, kostengünstige und wiederholbare Markierungstechnologie etabliert. Wichtig ist, dass das Verfahren umweltfreundlich ist und keine Verbrauchsmaterialien (wie Tinte, Patronen und Papier) erfordert. Heutzutage basieren Lasermarkierungssysteme nicht mehr ausschließlich auf CO2-Lasern; andere, wie Faserlaser und Nd:YAG-Festkörperlichtquellen, bieten kleinere Stellflächen, geringere Wartungskosten und effiziente Alternativen; und Fortschritte in den technologischen Fähigkeiten sind offensichtlich. Die schnellsten kommerziellen Laserbeschriftungsmaschinen können mittlerweile Zehntausende Teile pro Stunde bearbeiten.
Während sich die Lasermarkierungstechnologie rasant weiterentwickelt hat, suchen Hersteller und Anwender von Lasermarkierungssystemen nun nach neuen Wegen, um die Grenzen der Markierungstechnologie zu erweitern, um neue Herausforderungen zu meistern und die Verarbeitungsergebnisse zu verbessern.
Lasermarkierung von Keramikschaltungen
Diese Herausforderungen ergeben sich aus neuen zu verarbeitenden Materialien und neuen Anwendungen, die bedient werden müssen – jeder von ihnen treibt den Bedarf an Wachstum und Innovation voran und prägt gleichzeitig den Markt für die Entwicklung von Lasersystemen.
Zum Beispiel,Keramiksind eines der am schnellsten wachsenden Materialien in der Laserbearbeitung, und dieses Material ist besonders wichtig bei der Herstellung von Halbleiterteilen und Leiterplatten. Oftmals als „Mutter aller elektronischen Systemprodukte“ bezeichnet, sind Leiterplatten (PCBs) eine Komponente, die in praktisch allen elektronischen Produkten verwendet wird, und kleine Änderungen in der Leiterplattenentwicklung haben erhebliche Auswirkungen auf Markttrends.
In den letzten Jahren hat sich der Fokus auf den Einsatz von Keramik in herkömmlichen Leiterplatten (PCBs) verlagert, die aus Kunststoff-Epoxidharzen wie FP4 hergestellt werden. Keramische Leiterplatten bieten eine hervorragende Wärmebehandelbarkeit, sind einfach zu implementieren und bieten im Vergleich zu nichtkeramischen Leiterplatten eine überlegene Leistung. Allerdings sind viele Markierungstechniken, wie zum Beispiel die Siebbearbeitung, für Keramik nicht geeignet. Die Tintenmarkierung von Keramik ist umständlich, erfordert mehrere Verbrauchsmaterialien und ist nicht abriebfest. Die Sprödigkeit und Härte von Keramik machen sie auch zu einem der schwieriger zu kennzeichnenden Materialien.
Infolgedessen haben Laser in den letzten Jahren als Alternative zur Tintendrucktechnologie an Bedeutung gewonnen, und viele Laserunternehmen haben Systeme entwickelt, die sich besonders für Keramikmarkierungen eignen, wie beispielsweise diodengepumpte Festkörper-UV-Laser sowie herkömmliche CO2-Laser Laser.
„Dazu gehört auch ein Trend zur Miniaturisierung“, sagt Andrew May, Direktor eines Laserbeschriftungsunternehmens. Er betont jedoch, dass auch die Einführung neuer Markttrends Zeit brauche: „Gibt es jede Woche eine neue Anwendung? Nein. Aber vor 15 Jahren haben wir noch nie auf Miniaturkeramik gesetzt, und jetzt schon.“
Flexiblere Materialien, Formen und Größen
Doch trotz des schnellen Wachstums ist die Keramikmarkierung in der Elektronik derzeit nicht der größte Markt des Lasermarkierungsunternehmens. „Die größte Industrie für uns sind medizinische Geräte“, sagt Andrew May, „daneben Automobil-, Elektronik- und allgemeine Maschinenbaukomponenten. Die Palette der benötigten Produkte variiert stark je nach Branche und Branche.“
Das Unternehmen verfügt über acht Lasersysteme (fünf davon mit Galv-Antrieb), die Markierungsdienste für eine Vielzahl von Anwendungen anbieten. Aus diesem Grund und weil das Unternehmen immer wieder neue Kunden mit individuellen Anforderungen akquiriert, betont May, dass die Fähigkeit zur Flexibilität von entscheidender Bedeutung ist. Dabei kommen Laser zum Einsatz, die für die Markierung unterschiedlicher Materialien, Formen und Größen sowie unterschiedlicher Losgrößen geeignet sind. So vielfältig wie der Kundenstamm ist auch das Angebot an Markierern: Die Laser sind in der Lage, von Codes über Grafiken bis hin zu Datenmatrizen alles zu produzieren – und das alles mit hoher Geschwindigkeit und hoher Reproduzierbarkeit.
Die Berücksichtigung dieser Flexibilität ist daher eine Notwendigkeit für Hersteller von Laserbeschriftungsmaschinen wie zBluhm Systeme.
Die Nachfrage nach Rückverfolgbarkeit von Bauteilen wächst
Ein weiterer wichtiger Trend im Bereich der Lasermarkierung ist die Sicherung und Verfeinerung der Rückverfolgbarkeit – der individuellen Identifizierung eines Produkts durch eine eindeutige Identifikationsmarkierung auf seiner Oberfläche. Diese Markierung kann viele Formen annehmen, aber immer beliebter und wichtiger wird die Verwendung von Datenmatrizen wie zweidimensionalen Codes (QR-Codes).
Durch die Kennzeichnung eines einzelnen Produkts mit einem eigenen, eindeutigen Datenmatrixcode kann es leicht und unaufdringlich anhand wichtiger Details wie Hersteller, Chargennummer und Lebensdauer identifiziert werden. Dies sorgt für Qualitätssicherung: Verbraucher und Anwender können die genaue Herkunft eines Produkts ermitteln. Diese Qualitätssicherung stellt eine direkte Verbindung zwischen dem Verbraucher und dem Hersteller her und verleiht dem Produkt einen Mehrwert, sodass sie mit kostengünstigeren Herstellungsverfahren konkurrieren können. Aufgrund seiner unglaublichen Präzision eignet sich der Laser ideal zum Schreiben detaillierter Codes mit einer Größe von nur 200 μm – zu klein, um von jemandem gesehen zu werden, der vorbeigeht, aber leicht mit einem Smartphone überprüft werden kann, wenn jemand seinen Standort kennt. Bei solchen Größen können Datenmatrizen zur Fälschungssicherheit eingesetzt werden, sodass die Echtheit hochwertiger Waren auf einfache und berührungslose Weise überprüft werden kann. Dies hat enorme Auswirkungen auf die Pharmaindustrie, da so sichergestellt werden kann, dass Medikamente wie Pillen nicht auf betrügerische Weise hergestellt und vertrieben werden.
Auch die Rückverfolgbarkeit von Bauteilen spielt bei der Verwendung als Beweismittel in Rechtsstreitigkeiten eine wichtige Rolle. Wenn jemand beispielsweise eine medizinische Transplantation hat und die Transplantation fehlschlägt, kann er durch die Rückverfolgbarkeit genau wissen, was schief gelaufen ist, wo es schief gelaufen ist und bei welcher Charge es schief gelaufen ist. Dies erhöht zwar die Effizienz bei Produktrückrufen, gibt dem Kunden aber auch mehr Autonomie. Es ist vielleicht nicht offensichtlich, aber mit dem zunehmenden Interesse der Gesellschaft an Rechtsstreitigkeiten muss die Technologie, die Urteile in Rechtsstreitigkeiten verbessern kann, mithalten.
Die Rückverfolgbarkeit trägt auch zu einem weiteren Trend in der gesamten Fertigung bei: der Verbesserung der Umweltverträglichkeit und der Reduzierung der ökologischen Auswirkungen. Durch die Verfolgung eines Produkts, um zu erkennen, wann es ausfällt, oder um zu wissen, wann es das Ende seines Lebenszyklus erreicht, sind Hersteller besser in der Lage, proaktiv zu ersetzen und zu recyceln. Dies bedeutet auch, dass Produkte wie vorgesehen zur Aufarbeitung zurückgegeben werden können, sodass möglicherweise weniger Geräte auf der Mülldeponie landen.
Aktuelle Datenmatrix-Kennzeichnungssysteme stehen jedoch vor vielen Herausforderungen. Bestimmte Materialien erschweren die Handhabung – insbesondere Glas und Polymere sowie dünne Metalle und Folien. Darüber hinaus muss die Markierung dauerhaft und stabil sein und das System muss eine große Bandbreite an Produktgrößen abdecken können.
Eine besondere Herausforderung für einige Lasermarkiermaschinen ist das Markieren auf nicht ebenen Oberflächen. In diesem Bereich sind Tintenstrahldrucker den laserbasierten Systemen immer noch überlegen. Daher arbeiten Systemingenieure daran, diese Herausforderungen zu meistern. Beispielsweise bieten einige Hersteller von Lasermarkierungssystemen CO2- und Faserlaser mit einer durchschnittlichen Leistung von 20-500 W und unterschiedlichen Zykluszeiten an, die mit einer automatisch anpassenden Fokussierungsoptik für den Einsatz auf 3D-Oberflächen ausgestattet sind, die an die Krümmung angepasst werden können das Objekt. Um Oberflächen mit unbekannten Geometrien zu berücksichtigen, verwenden die Systeme ein Autofokus-Vision-System, das zunächst die 3D-Oberfläche scannt und dann den Laserfokus während des Markierungsprozesses anpasst.
Allerdings sind nicht ebene Oberflächen nicht die einzige Herausforderung, vor der Hersteller von Lasermarkierungssystemen stehen. Dr. Florent Thibaut, CEO eines Herstellers von Lasermarkierungslösungen, erklärt: „In vielen Fällen sind weltweit standardisierte Markierungslösungen wie Tintenstrahl nicht in der Lage, die Anforderungen zu erfüllen, die erforderlich sind, um für jedes Produkt eine spezifische Markierung bereitzustellen. Derzeit.“ „Der übliche Einsatz von Lasern ist bereits als kontinuierliche Methode verfügbar, genau wie die Verwendung eines Stifts. Dies ist jedoch nicht schnell genug – wir müssen eine Lösung finden, die Produktionsvolumen und Genauigkeit in Einklang bringt.“
Die sequentielle Markierung ist davon betroffen, da die Lasermarkierung für jedes Produkt geändert werden muss. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, über eine Markierungstechnologie zu verfügen, die an jedes Produkt angepasst werden kann. Hersteller fordern einen extrem hohen Durchsatz – die Markierung muss sich anpassen und die Markierungsrate muss hoch sein – und dabei sind die Schwierigkeiten bei der Verarbeitung bestimmter Materialien wie Glas oder Polymere noch nicht einmal berücksichtigt.
Um dieses Problem zu lösen, hat ein Hersteller von Lasermarkierungslösungen seine VULQ1-Technologie patentieren lassen, die auf der diesjährigen Laser World Photonics Industrial Production Engineering mit dem Laser Systems Innovation Award ausgezeichnet wurde Dies ist bei herkömmlichen Markiersystemen der Fall). Stattdessen erzeugt es mithilfe von Hunderten von Lichtstrahlen einen stempelähnlichen Effekt – so entsteht im Handumdrehen ein vollständiger Datamatrix-Code. Die zur Herstellung dieses einzigartigen Stempels verwendete Methode ist die dynamische Strahlformung, die mithilfe von Komponenten wie dem Spatial Light Modulator (SLM) erreicht wird, der sich pro Schuss anpassen kann, um Strahlen mit einer einzigartigen Struktur zu erzeugen.
Während bei anderen Lasermarkierungstechnologien möglicherweise hohe Wiederholungsraten für einen hohen Durchsatz im Vordergrund stehen, nutzt diese Technologie eine höhere Pulsenergie und Parallelverarbeitung für bessere Ergebnisse.
Thibaut sagt: „Dieses stempelähnliche Markierungsschema eröffnet ein enormes Produktivitätspotenzial für die 2D-Barcode-Markierung und ist einfach zu implementieren.“
Mit seiner Technologie können beispielsweise medizinische PVC-Teile mit einem 570-µm breiten Data-Matrix-Code mit einer Geschwindigkeit von 77,000 pro Stunde gekennzeichnet werden. Zu den weiteren Materialien, die das System kennzeichnen kann, gehören mit HDPE-Polymer beschichtetes Aluminium; Natron-Kalk-Glas; Borosilikatglas, reines Gold und Epoxidharz-Formverbundstoff.
Thibault fügt hinzu: „Mustergrößen können bis zu 100 μm klein sein und dabei eine vollkommen klare Lesbarkeit gewährleisten, selbst wenn die Markierung in einer geraden Linie erfolgt, da alle Punkte gleichzeitig markiert werden.“ Da die Technologie nicht auf hohe Wiederholfrequenzen angewiesen ist, kann sie außerdem Systeme mit handelsüblichen Infrarot- und grünen Nd:YAG-Lasern mit Wiederholfrequenzen von etwa 20-30Hz bauen und so die Systemsicherheit gewährleisten möglichst kostengünstig bleiben.
Ultraschneller Laser verwandelt Glas in Datenspeicher
Ein weiterer spannender neuer Bereich der Lasermarkierung ist die Datenspeicherung. Forscher behaupten, dass sie effiziente Datenspeichersysteme herstellen können, indem sie ultraschnelle Laser verwenden, um Daten in Glas-/Kristallmedien zu kodieren. Daten werden in Form von Mikroablation in Glas/Kristall gespeichert und können nach der Erstellung erstaunlich lange aufbewahrt werden.
Im Jahr 2013,Hitachikündigte sein erstes Quarzkristall-Datenspeichersystem an, und 2014 gaben Forscher am Optoelectronics Research Centre (ORC) der University of Southampton die Entwicklung eines Femtosekundenlaser-geätzten Glassystems bekannt. Das ORC hat begonnen, mit Microsoft Research am „Project Silica“ zusammenzuarbeiten. ORC hat begonnen, mit Microsoft Research am „Project Silica“ zusammenzuarbeiten, das verspricht, Speichersysteme im ZB-Maßstab zu entwickeln und „den Aufbau von Massenspeichersystemen grundlegend zu überdenken“.
Das Schreiben auf Glas ist jedoch keine leichte Aufgabe und herkömmliche gepulste UV- oder CO2-Lasersysteme können Mikrorisse erzeugen – eine übermäßige Erwärmung der Materialoberfläche kann zu Schäden an thermischen Hotspots führen. Dies kann zwar durch eine Reduzierung der Impulsenergie umgangen werden, ist jedoch nicht ideal, wenn eine hohe Präzision erforderlich ist. Aus diesem Grund greifen Forscher auf ultraschnelle (Femtosekunden-)Lasersysteme zurück, um das Risiko thermischer Schäden zu minimieren. Die ultrakurze Dauer des Hochenergieimpulses stellt sicher, dass genügend Energie an das Material abgegeben wird, um es mit äußerster Präzision zu markieren, wodurch nur minimale Wärmeeinflusszonen entstehen und Mikrorisse vermieden werden.
Die derzeitige Einschränkung dieser Technologie ist die extrem niedrige Geschwindigkeit des Datenschreibens, und das Schreiben von Daten im Tb-Bereich kann Jahre dauern. Glücklicherweise gibt es immer wieder bahnbrechende Erkenntnisse, die Wege aufzeigen, die Geschwindigkeit beim Schreiben von Daten zu erhöhen. Letztes Jahr veröffentlichten ORC-Forscher in der Zeitschrift Optica eine energieeffiziente Laserschreibmethode: Diese Methode ist nicht nur schnell, sondern kann auch etwa 500 TB Daten auf Silica-Discs in CD-Größe speichern – das sind 10.000 Mal dichter als die Blu-ray-Disc-Speichertechnologie.
Die neue Methode der Forscher nutzt einen 515-nm-Faserlaser mit einer Folgefrequenz von 10 MHz und einer Pulsdauer von 250 fs, um winzige Vertiefungen im Quarzglas zu erzeugen, die einzelne, nur 500 × 50 nm große nanolaminare Strukturen enthalten. Diese hochdichten Nanostrukturen können zur langfristigen optischen Datenspeicherung verwendet werden. Die Forscher erreichten eine Schreibgeschwindigkeit von 1,000,000 Voxel pro Sekunde, was einer Aufzeichnung von etwa 225 KB Daten (mehr als 100 Seiten Text) pro Sekunde entspricht.
Mit der neuen Methode wurden 5 GB Textdaten mit nahezu 100-prozentiger Lesegenauigkeit auf eine Siliziumglasscheibe in der Größe einer herkömmlichen CD-ROM geschrieben. Jedes Voxel enthält vier Informationsbits, wobei jeweils zwei Voxel einem Textzeichen entsprechen. Mit der durch die Methode bereitgestellten Schreibdichte kann die Disc 500 TB Daten speichern. Durch die Aufrüstung des Systems für paralleles Schreiben sollte es möglich sein, so viele Daten in etwa 60 Tagen zu schreiben, sagten die Forscher.
