Quais são as tendências e inovações notáveis ​​em marcação a laser para 2023?

Desde meados-1960 dos anos, os lasers têm sido usados ​​para fazer marcas, gravar e cortar. A primeira máquina de marcação a laser do mundo foi desenvolvida em 1965, quando era o futuro da perfuração de moldes de fabricação de diamantes, e a tecnologia posteriormente ganhou rápido desenvolvimento.
A introdução precoce de lasers de CO2 para marcação ocorreu em 1967, e a tecnologia atingiu a maturidade em meados da década de 2000 através da comercialização de modernos sistemas de laser de CO2. E desde então, os sistemas de marcação a laser tornaram-se um pilar em uma ampla gama de indústrias, com aplicações que vão desde a indústria aeroespacial até a fabricação de dispositivos médicos, farmacêutica e varejo.
Quais são algumas tendências e inovações notáveis ​​de marcação a laser para 2023?
Panasonic apresenta uma demonstração operacional de sua máquina de marcação a laser de precisão de fibra de pulso curto 3D (crédito da imagem: Panasonic)
Apesar de competir com outras tecnologias, como a impressão a jato de tinta, os lasers têm se mostrado uma tecnologia de fabricação de marcação poderosa, de baixo custo e repetível. É importante ressaltar que o processo é ecológico e não requer consumíveis (como tinta, cartuchos e papel).
Hoje em dia, os sistemas de marcação a laser não dependem mais apenas de lasers de CO2; outros, como lasers de fibra e fontes de luz de estado sólido Nd:YAG, oferecem dimensões menores, custos de manutenção mais baixos e alternativas eficientes. Os avanços nas capacidades tecnológicas também são evidentes. As máquinas comerciais de marcação a laser mais rápidas agora podem processar dezenas de milhares de peças por hora.
Embora a evolução da tecnologia de marcação a laser tenha sido rápida, os fabricantes e usuários de sistemas de marcação a laser estão agora procurando novos caminhos para avançar a tecnologia de marcação para enfrentar novos desafios e melhorar os resultados do processamento.
Tendência 1: Marcação a Laser de Circuitos Cerâmicos
Esses desafios vêm de novos materiais a serem processados ​​e de novas aplicações a serem atendidas - cada uma impulsionando a necessidade de crescimento e inovação, ao mesmo tempo que molda o mercado para o desenvolvimento de sistemas a laser.
A cerâmica, por exemplo, é um dos materiais de crescimento mais rápido no processamento a laser, e esse material é particularmente importante na fabricação de peças semicondutoras e placas de circuito. Muitas vezes referida como a “mãe de todos os produtos de sistemas eletrônicos”, as placas de circuito impresso (PCBs) são um componente usado em praticamente todos os produtos eletrônicos, e pequenas mudanças no desenvolvimento de PCBs têm um impacto significativo nas tendências do mercado.
Nos últimos anos, o foco mudou para o uso de cerâmica em placas de circuito impresso (PCBs) convencionais, que são feitas de resinas epóxi plásticas, como FP4. As placas de circuito cerâmico oferecem excelente tratabilidade térmica, são fáceis de implementar e fornecem desempenho superior em comparação com PCBs não cerâmicos. No entanto, muitas técnicas de marcação, como o processamento de tela, não são adequadas para cerâmica. A marcação com tinta de cerâmica é complicada, requer vários consumíveis e não é resistente à abrasão. A fragilidade e a dureza da cerâmica também a tornam um dos materiais mais difíceis de marcar.
Como resultado, os lasers ganharam destaque nos últimos anos como uma alternativa à tecnologia de impressão com tinta, e muitas empresas de laser desenvolveram sistemas particularmente adequados para marcação cerâmica, como lasers UV de estado sólido bombeados por diodo, bem como CO2 convencionais. lasers.
“Isso definitivamente inclui uma tendência à miniaturização”, diz Andrew May, diretor da empresa de marcação a laser ES Precision. No entanto, ele enfatiza que a introdução de novas tendências de mercado também leva tempo: "Há uma nova aplicação toda semana? Não. Mas há 15 anos nunca marcamos cerâmicas em miniatura, e agora fazemos."
Tendência 2: Materiais, formas e tamanhos mais flexíveis
No entanto, apesar do rápido crescimento, os marcadores cerâmicos para electrónica não são actualmente o maior mercado da ES Precision. "A maior indústria para nós é a de dispositivos médicos", diz Andrew May, "depois a automotiva, eletrônica e componentes de engenharia em geral. A gama de produtos necessários varia muito dependendo da indústria e da indústria em questão."
A empresa possui oito sistemas de laser (cinco dos quais são acionados pela Galv) que fornecem serviços de marcação para uma ampla variedade de aplicações. Por isso, e porque a empresa está sempre conquistando novos clientes com necessidades customizadas - May ressalta que para a ES Precision a capacidade de ser flexível é crucial.
Como resultado, utiliza lasers adequados para marcar diferentes materiais, formas e tamanhos, bem como diferentes tamanhos de lote. A gama de marcadores que pode oferecer também é tão diversificada quanto a sua base de clientes, com lasers capazes de produzir tudo, desde códigos a gráficos e matrizes de dados - tudo em alta velocidade e com alta reprodutibilidade.
Atender a essa flexibilidade é, portanto, uma obrigação para fabricantes de marcadores a laser como a Bluhm Systeme, diz Antoinette Aufdermauer, editora da empresa, que monitora constantemente o mercado e desenvolve seus produtos de acordo.
Seus sistemas de marcação incluem lasers de gás, fibra e estado sólido, incluindo sistemas CO2 e YAG. Os marcadores a laser são pulsados ​​e operam na faixa de comprimento de onda de 00,355 μm a 10,6 μm. Cada laser tem características próprias e algumas semelhanças: os lasers de CO2 podem ser usados ​​para marcar plásticos, borracha, papel e folhas; os lasers de fibra são vantajosos para marcar aço e alguns plásticos; e os lasers YAG são adequados para marcação de metais e cerâmicas. Testamos extensivamente todos os materiais de nossos clientes com antecedência em nosso laboratório de laser", afirma Aufdermauer.
A portabilidade também é importante para garantir flexibilidade nas operações de marcação a laser, o que é ideal para clientes industriais, afirma Aufdermauer. Por esse motivo, o mais recente produto da Bluhm Systeme, o “Lightworx”, apresenta um laser de fibra de 20 W em uma estação de trabalho compacta que pode ser facilmente transportada para ambientes de produção. O sistema produz marcações “permanentes, nítidas e invioláveis” em metais e plásticos.
Tendência 3: Demanda crescente por rastreabilidade de componentes
Outra tendência importante na área de marcação a laser é a garantia e o refinamento da rastreabilidade – a identificação individual de um produto por meio de uma marca de identificação única em sua superfície. Esta marcação pode assumir muitas formas, mas cada vez mais popular e importante é o uso de matrizes de dados, como códigos bidimensionais (códigos QR).
Ao marcar um produto individual com seu próprio código de matriz de dados exclusivo, ele pode ser facilmente identificado de forma não intrusiva com detalhes importantes, como fabricante, número de lote e vida útil. Isto proporciona garantia de qualidade: consumidores e usuários podem determinar a origem exata de um produto. Esta garantia de qualidade cria uma ligação direta entre o consumidor e o fabricante e confere valor acrescentado ao produto, permitindo-lhes competir com a produção de baixo custo.
Devido à sua incrível precisão, o laser é ideal para escrever códigos detalhados de até 200 μm - pequenos demais para serem vistos por alguém que passa, mas facilmente verificados com um smartphone se uma pessoa souber sua localização. Nesses tamanhos, as matrizes de dados podem ser usadas para fins antifalsificação, facilitando a verificação da autenticidade de produtos de alta qualidade de forma não intrusiva. Isto tem um enorme impacto na indústria farmacêutica, pois é uma forma de garantir que medicamentos como pílulas não sejam produzidos e distribuídos de forma fraudulenta.
A rastreabilidade dos componentes também desempenha um papel importante quando usada como prova em litígios. Por exemplo, se alguém faz um transplante médico e o transplante falha, a rastreabilidade permite-lhe saber exatamente o que correu mal, onde correu mal e em que lote correu mal. Isto certamente aumenta a eficiência em coisas como recalls de produtos, mas também dá mais autonomia ao cliente. Pode não ser óbvio, mas à medida que a sociedade se torna mais interessada em litígios, a tecnologia que pode melhorar os veredictos dos litígios terá de acompanhar.
A rastreabilidade também contribui para outra tendência na produção: melhorar a sustentabilidade ambiental e reduzir o impacto ecológico. Ao rastrear um produto para saber quando ele falha ou quando chega ao fim de seu ciclo de vida, os fabricantes ficam mais aptos a substituí-lo e reciclá-lo de forma proativa. Isto também significa que os produtos podem ser devolvidos para renovação conforme pretendido, pelo que menos equipamentos podem acabar em aterros.
No entanto, os atuais sistemas de rotulagem matricial de dados enfrentam muitos desafios. Certos materiais tornam o manuseio mais difícil – especialmente vidro e polímeros, bem como metais finos e folhas metálicas. A marcação também deve ser permanente e estável, e o sistema deve ser capaz de acomodar uma ampla variedade de tamanhos de produtos.
Um desafio particular para alguns marcadores a laser é a marcação em superfícies não planas. As impressoras jato de tinta ainda superam os sistemas baseados em laser nesta área. Como resultado, os engenheiros de sistemas estão trabalhando para superar esses desafios. Por exemplo, a Laserax, fabricante de sistemas de marcação a laser, oferece lasers de CO2 e de fibra com potência média de 20-500 W e tempos de ciclo variados, equipados com óptica de foco com ajuste automático para uso em superfícies 3D, que podem ser ajustadas à curvatura do objeto. Para dar conta de superfícies com geometrias desconhecidas, os sistemas da Laserax usam um sistema de visão com foco automático que primeiro escaneia a superfície 3D e depois ajusta o foco do laser durante o processo de marcação.
No entanto, as superfícies não planas não são o único desafio enfrentado pelos fabricantes de sistemas de marcação a laser. Florent Thibaut, CEO da QiOVA, fabricante de soluções de marcação a laser, explica: "Em muitos casos, as soluções de marcação padronizadas globalmente, como o jato de tinta, não são capazes de atender aos requisitos necessários para fornecer marcações específicas para cada produto. Atualmente, o uso habitual de lasers já está disponível como método contínuo, assim como o uso de uma caneta. No entanto, isso não é rápido o suficiente - precisamos encontrar uma solução que equilibre o volume de produção e a precisão."
A marcação sequencial é afetada pelo fato de que a marcação a laser precisa mudar para cada produto, portanto, é crucial ter uma tecnologia de marcação que possa ser adaptada para cada produto. Os fabricantes exigem um rendimento extremamente elevado - a marcação deve adaptar-se e a taxa de marcação deve ser elevada - e isto nem sequer tem em conta as dificuldades de processamento de certos materiais, como vidro ou polímeros.
Para resolver este problema, a QiOVA patenteou sua tecnologia VULQ1, que ganhou o Laser Systems Innovation Award na Laser World Photonics Industrial Production Engineering deste ano, que não opta por um método que utiliza um feixe de luz único e contínuo (como fazem os sistemas de marcação tradicionais). ). Em vez disso, ele usa centenas de feixes de luz para produzir um efeito semelhante ao de um carimbo – gerando um código de matriz de dados inteiro em um instante. O método usado para produzir este carimbo exclusivo é a modelagem dinâmica do feixe, que é realizada usando componentes como um modulador de luz espacial (SLM). O SLM é capaz de se ajustar por disparo para criar feixes com uma estrutura única.
Embora outras tecnologias de marcação a laser possam priorizar altas taxas de repetição para alto rendimento, o QiOVA utiliza energias de pulso mais altas e processamento paralelo para obter melhores resultados.
Thibaut afirma: “Essa solução de marcação semelhante a um carimbo libera um enorme potencial de produtividade para marcação de códigos de barras 2D e é simples de implementar”.
Por exemplo, sua tecnologia pode ser usada para marcar peças médicas de PVC com um código de matriz de dados de 570-μm de largura a uma taxa de 77,000 por hora. Outros materiais que o sistema pode marcar incluem alumínio revestido com polímero HDPE; Copo de refrigerante de limão; vidro borossilicato, ouro puro e compósito moldado em epóxi.
Thibault acrescenta: "Os tamanhos dos padrões podem ser tão pequenos quanto 100 μm, mantendo uma legibilidade perfeitamente clara, mesmo ao marcar em linha reta, já que todos os pontos são marcados simultaneamente." Além do mais, como não precisa depender de altas frequências de repetição, o QiOVA pode construir sistemas usando lasers Nd:YAG verdes e infravermelhos disponíveis no mercado com frequências de repetição de cerca de 20-30Hz, garantindo que seus sistemas permaneçam tão rentável quanto possível.
Tendência nº 4: Lasers ultrarrápidos transformam vidro em armazenamento de dados
Outra área nova e interessante da marcação a laser: armazenamento de dados. Os pesquisadores afirmam que podem produzir sistemas eficientes de armazenamento de dados usando lasers ultrarrápidos para codificar dados em mídia de vidro/cristalino. Os dados são armazenados em vidro/cristal na forma de microablação e, uma vez produzidos, poderão ser preservados por um incrível período de tempo, o
Em 2013, a Hitachi anunciou seu primeiro sistema de armazenamento de dados de cristal de quartzo e, em 2014, pesquisadores do Centro de Pesquisa Optoeletrônica (ORC) da Universidade de Southampton anunciaram o desenvolvimento de um sistema de vidro gravado a laser de femtossegundos. “Projeto Silica”, que promete desenvolver vidro com porcentagem zz. O ORC começou a trabalhar com a Microsoft Research no “Project Silica”, que promete desenvolver sistemas de armazenamento em escala zb e “repensar fundamentalmente como construir sistemas de armazenamento em massa”.
No entanto, escrever em vidro não é uma tarefa fácil, e os sistemas padrão de laser UV pulsado ou CO2 podem criar microfissuras - o aquecimento excessivo da superfície do material pode causar danos em pontos térmicos quentes. Embora isso possa ser contornado reduzindo a energia do pulso, não é ideal quando é necessária alta precisão. É por isso que os pesquisadores estão recorrendo a sistemas de laser ultrarrápidos (femtossegundos) para minimizar o risco de danos térmicos. A duração ultracurta do pulso de alta energia garante que energia suficiente seja fornecida ao material para marcá-lo com extrema precisão, criando apenas zonas mínimas afetadas pelo calor e evitando microfissuras.
No entanto, a limitação atual desta tecnologia é a taxa extremamente baixa na qual os dados podem ser gravados, e a gravação de dados em escala Tb pode levar anos para ser concluída. Felizmente, avanços contínuos sugerem maneiras de aumentar a velocidade de gravação de dados. No ano passado, pesquisadores do ORC publicaram um método de gravação a laser com eficiência energética na revista Optica: esse método não só é rápido, mas também pode armazenar cerca de 500 Tb de dados em discos de sílica do tamanho de um CD - são 10,000 vezes mais denso que a tecnologia de armazenamento Blu-ray Disc.
O novo método dos pesquisadores usa um laser de fibra 515-nm com uma frequência de repetição de 10 MHz e uma duração de pulso de 250 fs para criar pequenos poços no vidro de sílica, que contêm estruturas nanolamelares individuais medindo apenas 500 × 50 nm. Essas nanoestruturas de alta densidade podem ser usadas para armazenamento óptico de dados de longo prazo. Os pesquisadores alcançaram uma velocidade de gravação de 1,000,000 voxels por segundo, o que equivale a gravar cerca de 225 KB de dados (mais de 100 páginas de texto) por segundo.
O novo método foi usado para gravar 5 GB de dados de texto em um disco de vidro de silício do tamanho de um CD-ROM convencional com quase 100% de precisão de leitura. Cada voxel contém quatro bits de informação, com cada dois voxels correspondendo a um caractere de texto. Usando a densidade de gravação fornecida pelo método, o disco será capaz de armazenar 500 Tb de dados. Ao atualizar o sistema para escrita paralela, seria viável escrever tantos dados em cerca de 60 dias, disseram os pesquisadores.