ما هي اتجاهات وابتكارات الوسم بالليزر الجديرة بالملاحظة لعام 2023؟

منذ منتصف-1960 القرن الماضي، تم استخدام الليزر في صنع العلامات والحفر والقطع. تم تطوير أول آلة وسم بالليزر في العالم في عام 1965، عندما كانت تمثل مستقبل حفر الثقوب في قوالب تصنيع الماس، وقد اكتسبت التكنولوجيا بعد ذلك تطورًا سريعًا.
تم التقديم المبكر لأشعة ليزر ثاني أكسيد الكربون لوضع العلامات في عام 1967، ووصلت التكنولوجيا إلى مرحلة النضج في منتصف القرن-1970 من خلال تسويق أنظمة ليزر ثاني أكسيد الكربون الحديثة. ومنذ ذلك الحين، أصبحت أنظمة وضع العلامات بالليزر دعامة أساسية في مجموعة واسعة من الصناعات مع تطبيقات تتراوح من الطيران إلى تصنيع الأجهزة الطبية والأدوية وتجارة التجزئة.
ما هي بعض الاتجاهات والابتكارات البارزة في مجال وضع العلامات بالليزر لعام 2023؟
تقدم باناسونيك عرضًا تشغيليًا لآلة الوسم بالليزر ذات الدقة ثلاثية الأبعاد ذات الألياف قصيرة النبض (حقوق الصورة: باناسونيك)
على الرغم من التنافس مع تقنيات أخرى مثل الطباعة النافثة للحبر، فقد تم تصنيف الليزر على أنه تقنية تصنيع علامات قوية ومنخفضة التكلفة وقابلة للتكرار. والأهم من ذلك، أن العملية صديقة للبيئة ولا تتطلب أي مواد استهلاكية (مثل الحبر والخراطيش والورق).
في الوقت الحاضر، لم تعد أنظمة وضع العلامات بالليزر تعتمد فقط على ليزر ثاني أكسيد الكربون؛ البعض الآخر، مثل ليزر الألياف ومصادر الضوء ذات الحالة الصلبة Nd:YAG، توفر آثارًا أصغر وتكاليف صيانة أقل وبدائل فعالة. والتقدم في القدرات التكنولوجية واضح أيضا. يمكن الآن لأسرع آلات وضع العلامات التجارية بالليزر معالجة عشرات الآلاف من الأجزاء في الساعة.
على الرغم من أن تطور تكنولوجيا وضع العلامات بالليزر كان سريعًا، إلا أن الشركات المصنعة ومستخدمي أنظمة وضع العلامات بالليزر يبحثون الآن عن طرق جديدة لتطوير تكنولوجيا وضع العلامات لمواجهة التحديات الجديدة وتحسين نتائج المعالجة.
الاتجاه 1: وضع العلامات بالليزر على الدوائر الخزفية
تأتي هذه التحديات من المواد الجديدة التي يجب معالجتها، والتطبيقات الجديدة التي يجب تقديمها - كل منها يدفع الحاجة إلى النمو والابتكار مع تشكيل السوق لتطوير أنظمة الليزر.
يعتبر السيراميك، على سبيل المثال، أحد أسرع المواد نموًا في المعالجة بالليزر، ولهذه المادة أهمية خاصة في تصنيع أجزاء أشباه الموصلات وألواح الدوائر الكهربائية. تعد لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) التي يشار إليها غالبًا باسم "أم جميع منتجات الأنظمة الإلكترونية"، مكونًا يستخدم في جميع المنتجات الإلكترونية تقريبًا، كما أن التغييرات الصغيرة في تطوير ثنائي الفينيل متعدد الكلور لها تأثير كبير على اتجاهات السوق.
في السنوات الأخيرة، تحول التركيز إلى استخدام السيراميك في لوحات الدوائر المطبوعة التقليدية (PCBs)، والتي يتم تصنيعها من راتنجات الايبوكسي البلاستيكية مثل FP4. توفر لوحات الدوائر الخزفية إمكانية معالجة حرارية ممتازة، كما أنها سهلة التنفيذ، وتوفر أداءً فائقًا مقارنةً بمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور غير الخزفية. ومع ذلك، فإن العديد من تقنيات وضع العلامات، مثل معالجة الشاشة، ليست مناسبة للسيراميك. إن وضع العلامات بالحبر على السيراميك أمر مرهق، ويتطلب العديد من المواد الاستهلاكية، وغير مقاوم للتآكل. كما أن هشاشة السيراميك وصلابته تجعله من أكثر المواد صعوبة في تحديد العلامات.
ونتيجة لذلك، برزت أشعة الليزر في السنوات الأخيرة كبديل لتكنولوجيا الطباعة بالحبر، وقد طورت العديد من شركات الليزر أنظمة مناسبة بشكل خاص لوضع علامات على السيراميك، مثل ليزر الحالة الصلبة فوق البنفسجية الذي يتم ضخه بالديود، بالإضافة إلى ليزر ثاني أكسيد الكربون التقليدي. الليزر.
يقول أندرو ماي، مدير شركة الوسم بالليزر ES Precision: "يتضمن هذا بالتأكيد اتجاهًا نحو التصغير". ومع ذلك، يؤكد على أن إدخال اتجاهات جديدة في السوق يستغرق وقتًا أيضًا، "هل هناك تطبيق جديد كل أسبوع؟ لا. ولكن منذ 15 عامًا لم نكن نرسم أبدًا على السيراميك المصغر، والآن نقوم بذلك."
الاتجاه 2: مواد وأشكال وأحجام أكثر مرونة
ومع ذلك، على الرغم من النمو السريع، فإن العلامات الخزفية للإلكترونيات لا تعد حاليًا أكبر سوق لشركة ES Precision. يقول أندرو ماي: "إن أكبر صناعة بالنسبة لنا هي الأجهزة الطبية، ثم السيارات والإلكترونيات والمكونات الهندسية العامة. ويختلف نطاق المنتجات المطلوبة بشكل كبير اعتمادًا على الصناعة والصناعة المعنية".
تمتلك الشركة ثمانية أنظمة ليزر (خمسة منها تعمل بنظام Galv) توفر خدمات وضع العلامات لمجموعة واسعة من التطبيقات. ولهذا السبب، ولأن الشركة تحصل دائمًا على عملاء جدد ذوي احتياجات مخصصة - تؤكد ماي على أن القدرة على التحلي بالمرونة أمر بالغ الأهمية بالنسبة لشركة ES Precision.
ونتيجة لذلك، فإنها تستخدم أشعة الليزر المناسبة لوضع علامات على المواد والأشكال والأحجام المختلفة، بالإضافة إلى أحجام الدفعات المختلفة. كما أن مجموعة العلامات التي يمكنها تقديمها متنوعة أيضًا مثل قاعدة عملائها، مع أجهزة ليزر قادرة على إنتاج كل شيء بدءًا من الرموز وحتى الرسومات ومصفوفات البيانات - كل ذلك بسرعة عالية وإمكانية تكرار نتائج عالية.
ولذلك فإن تلبية هذه المرونة أمر ضروري لمصنعي علامات الليزر مثل Bluhm Systeme، كما تقول أنطوانيت أوفديرماور، محررة الشركة، التي تراقب السوق باستمرار وتطور منتجاتها وفقًا لذلك.
وتشمل أنظمة وضع العلامات الخاصة بها ليزر الغاز والألياف والحالة الصلبة، بما في ذلك أنظمة ثاني أكسيد الكربون وYAG. علامات الليزر نابضة وتعمل في نطاق الطول الموجي 0.355 ميكرومتر إلى 10.6 ميكرومتر. كل ليزر له خصائصه الخاصة وبعض أوجه التشابه: يمكن استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون لوضع علامات على البلاستيك والمطاط والورق والرقائق؛ تعتبر ليزرات الألياف مفيدة لوضع علامات على الفولاذ وبعض المواد البلاستيكية؛ وأشعة الليزر YAG مناسبة لوضع علامات على المعادن والسيراميك. يقول أوفدرماور: "نحن نقوم باختبار جميع المواد الخاصة بعملائنا على نطاق واسع مسبقًا في مختبر الليزر الخاص بنا".
تعتبر إمكانية النقل مهمة أيضًا لضمان المرونة في عمليات وضع العلامات بالليزر، وهو أمر مثالي للعملاء الصناعيين، كما يقول أوفدرماور. لهذا السبب، يتميز أحدث منتجات Bluhm Systeme، "Lightworx"، بليزر ألياف بقدرة 20 وات في محطة عمل مدمجة يمكن نقلها بسهولة إلى بيئات الإنتاج. وينتج النظام علامات "دائمة وحادة ومضادة للتلاعب" على المعادن والبلاستيك.
الاتجاه 3: تزايد الطلب على إمكانية تتبع المكونات
هناك اتجاه مهم آخر في مجال وضع العلامات بالليزر وهو ضمان إمكانية التتبع وتحسينها - التحديد الفردي للمنتج عن طريق علامة تعريف فريدة على سطحه. يمكن أن يتخذ هذا الوسم أشكالًا عديدة، ولكن من الشائع والمهم بشكل متزايد استخدام مصفوفات البيانات مثل الرموز ثنائية الأبعاد (رموز QR).
ومن خلال وضع علامة على منتج فردي برمز مصفوفة البيانات الفريد الخاص به، يمكن التعرف عليه بسهولة بطريقة غير تدخلية باستخدام التفاصيل الأساسية مثل الشركة المصنعة ورقم الدفعة والعمر. وهذا يوفر ضمان الجودة: يمكن للمستهلكين والمستخدمين تحديد الأصل الدقيق للمنتج. ويخلق ضمان الجودة هذا رابطًا مباشرًا بين المستهلك والشركة المصنعة ويعطي قيمة مضافة للمنتج، مما يمكّنهم من التنافس مع التصنيع الأقل تكلفة.
نظرًا لدقته المذهلة، يعد الليزر مناسبًا بشكل مثالي لكتابة رموز تفصيلية يصل حجمها إلى 200 ميكرومتر - وهي صغيرة جدًا بحيث لا يمكن لأي شخص أن يراها، ولكن من السهل التحقق منها باستخدام الهاتف الذكي إذا كان الشخص يعرف موقعها. في مثل هذه الأحجام، يمكن استخدام مصفوفات البيانات لأغراض مكافحة التزييف، مما يجعل من السهل التحقق من صحة السلع عالية الجودة بطريقة غير تدخلية. وهذا له تأثير كبير على صناعة الأدوية لأنه وسيلة لضمان عدم إنتاج الأدوية مثل الحبوب وتوزيعها بطريقة احتيالية.
تلعب إمكانية تتبع المكونات أيضًا دورًا مهمًا عند استخدامها كدليل في التقاضي. على سبيل المثال، إذا أجرى شخص ما عملية زرع طبية وفشلت عملية الزرع، فإن إمكانية التتبع تتيح له معرفة الخطأ الذي حدث بالضبط، وأين حدث الخطأ، وفي أي دفعة حدث الخطأ. ومن المؤكد أن هذا يزيد من الكفاءة في أشياء مثل عمليات سحب المنتج، ولكنه يمنح العميل أيضًا مزيدًا من الاستقلالية. قد لا يكون الأمر واضحًا، ولكن مع ازدياد اهتمام المجتمع بالتقاضي، سيتعين على التكنولوجيا التي يمكنها تعزيز أحكام التقاضي مواكبة ذلك.
تساهم إمكانية التتبع أيضًا في اتجاه آخر عبر التصنيع: تحسين الاستدامة البيئية وتقليل التأثير البيئي. من خلال تتبع المنتج لمعرفة متى يفشل، أو معرفة متى يصل إلى نهاية دورة حياته، يكون المصنعون أكثر قدرة على الاستبدال وإعادة التدوير بشكل استباقي. ويعني هذا أيضًا أنه يمكن إرجاع المنتجات للتجديد على النحو المنشود، وبالتالي قد ينتهي الأمر بمعدات أقل في مدافن النفايات.
ومع ذلك، تواجه أنظمة وضع العلامات على مصفوفة البيانات الحالية العديد من التحديات. بعض المواد تجعل التعامل معها أكثر صعوبة - خاصة الزجاج والبوليمرات، وكذلك المعادن الرقيقة والرقائق. ويجب أن تكون العلامات أيضًا دائمة ومستقرة، ويجب أن يكون النظام قادرًا على استيعاب مجموعة واسعة من أحجام المنتجات.
التحدي الخاص الذي تواجهه بعض علامات الليزر هو وضع العلامات على الأسطح غير المستوية. لا تزال الطابعات النافثة للحبر تفوق عدد الطابعات المعتمدة على الليزر في هذا المجال. ونتيجة لذلك، يعمل مهندسو النظام على التغلب على هذه التحديات. على سبيل المثال، تقدم شركة Laserax، الشركة المصنعة لأنظمة وضع العلامات بالليزر، ليزر ثاني أكسيد الكربون وليزر الألياف بمتوسط ​​طاقة يبلغ 20-500 واط وأوقات دورات مختلفة، ومجهزة بعدسات تركيز ذات ضبط تلقائي للاستخدام على الأسطح ثلاثية الأبعاد، والتي يمكن تعديلها إلى انحناء الكائن. لمراعاة الأسطح ذات الأشكال الهندسية غير المعروفة، تستخدم أنظمة Laserax نظام رؤية التركيز التلقائي الذي يقوم أولاً بمسح السطح ثلاثي الأبعاد ثم يقوم بضبط تركيز الليزر أثناء عملية وضع العلامات.
ومع ذلك، فإن الأسطح غير المسطحة ليست هي التحدي الوحيد الذي يواجه الشركات المصنعة لأنظمة وضع العلامات بالليزر. يوضح الدكتور فلوران ثيبوت، الرئيس التنفيذي لشركة QiOVA، الشركة المصنعة لحلول وضع العلامات بالليزر، قائلاً: "في كثير من الحالات، لا تتمكن حلول وضع العلامات القياسية عالميًا، مثل النافثة للحبر، من تلبية المتطلبات اللازمة لتوفير علامات محددة لكل منتج. "في الوقت الحالي، أصبح الاستخدام المعتاد لليزر متاحًا بالفعل كطريقة مستمرة، تمامًا مثل استخدام القلم. ولكن هذا ليس بالسرعة الكافية - فنحن بحاجة إلى إيجاد حل يوازن بين حجم الإنتاج والدقة."
يتأثر وضع العلامات التسلسلي بحقيقة أن وضع العلامات بالليزر يجب أن يتغير لكل منتج، لذا فإن وجود تقنية وضع علامات يمكن تكييفها مع كل منتج أمر بالغ الأهمية. يتطلب المصنعون إنتاجية عالية للغاية - يجب أن يتكيف الوسم ويجب أن يكون معدل الوسم مرتفعًا - وهذا لا يأخذ في الاعتبار حتى صعوبات معالجة مواد معينة مثل الزجاج أو البوليمرات.
ولحل هذه المشكلة، حصلت شركة QiOVA على براءة اختراع لتقنية VULQ1، والتي فازت بجائزة ابتكار أنظمة الليزر في معرض هندسة الإنتاج الصناعي للضوئيات الليزرية لهذا العام، والتي لا تختار طريقة تستخدم شعاعًا واحدًا مستمرًا من الضوء (كما تفعل أنظمة وضع العلامات التقليدية). ). وبدلاً من ذلك، يستخدم مئات من أشعة الضوء لإنتاج تأثير يشبه الختم، مما يؤدي إلى إنشاء رمز مصفوفة بيانات كامل في لحظة. الطريقة المستخدمة لإنتاج هذا الختم الفريد هي تشكيل الشعاع الديناميكي، والذي يتم إنجازه باستخدام مكونات مثل مُعدِّل الضوء المكاني (SLM). إن SLM قادر على الضبط على أساس كل لقطة لإنشاء حزم ذات هيكل فريد.
في حين أن تقنيات وضع العلامات بالليزر الأخرى قد تعطي الأولوية لمعدلات التكرار العالية لإنتاجية عالية، فإن QiOVA يستخدم طاقات نبض أعلى ومعالجة متوازية للحصول على نتائج أفضل.
يقول ثيبوت: "يفتح حل وضع العلامات الشبيه بالطوابع هذا إمكانات إنتاجية هائلة لوضع علامات على الباركود ثنائي الأبعاد كما أنه سهل التنفيذ."
على سبيل المثال، يمكن استخدام تقنيتها لوضع علامات على الأجزاء الطبية البلاستيكية باستخدام رمز مصفوفة بيانات بعرض 570-ميكرومتر بمعدل 77,000 في الساعة. تشمل المواد الأخرى التي يمكن للنظام وضع علامة عليها الألومنيوم المطلي ببوليمر HDPE؛ كاس صودا بطعم الليمون؛ زجاج البورسليكات والذهب الخالص ومركب مصبوب بالإيبوكسي.
ويضيف ثيبولت: "يمكن أن تكون أحجام الأنماط صغيرة تصل إلى 100 ميكرومتر مع الحفاظ على إمكانية القراءة الواضحة تمامًا، حتى عند وضع العلامات في خط مستقيم، حيث يتم وضع علامة على جميع النقاط في وقت واحد." والأكثر من ذلك، نظرًا لأنها لا تحتاج إلى الاعتماد على ترددات التكرار العالية، يمكن لـ QiOVA بناء أنظمة تستخدم الأشعة تحت الحمراء الجاهزة للاستخدام وأشعة الليزر Nd:YAG الخضراء بترددات تكرار تبلغ حوالي 20-30 هرتز، مما يضمن بقاء أنظمتها على حالها. فعالة من حيث التكلفة قدر الإمكان.
الاتجاه رقم 4: تعمل أجهزة الليزر فائقة السرعة على تحويل الزجاج إلى مخزن للبيانات
مجال جديد ومثير آخر من مجالات وضع العلامات بالليزر: تخزين البيانات. يدعي الباحثون أنهم قادرون على إنتاج أنظمة فعالة لتخزين البيانات باستخدام أشعة الليزر فائقة السرعة لتشفير البيانات إلى وسائط زجاجية/بلورية. يتم تخزين البيانات في الزجاج/البلور في شكل استئصال مجهري، وبمجرد إنتاجها، سيكون من الممكن الحفاظ عليها لفترة مذهلة من الوقت.
في عام 2013، أعلنت شركة هيتاشي عن أول نظام لتخزين البيانات من بلورات الكوارتز، وفي عام 2014، أعلن الباحثون في مركز أبحاث الإلكترونيات الضوئية (ORC) التابع لجامعة ساوثامبتون عن تطويرهم لنظام زجاجي محفور بالليزر بالفيمتو ثانية. وقد بدأ ORC التعاون مع أبحاث مايكروسوفت على "مشروع السيليكا" الذي يَعِد بتطوير زجاج بنسبة zz. بدأت ORC العمل مع Microsoft Research على "Project Silica"، الذي يَعِد بتطوير أنظمة تخزين بحجم zb و"إعادة التفكير بشكل أساسي في كيفية بناء أنظمة تخزين كبيرة السعة".
ومع ذلك، فإن الكتابة على الزجاج ليست مهمة سهلة، ويمكن لأنظمة الليزر النبضية القياسية للأشعة فوق البنفسجية أو ثاني أكسيد الكربون أن تخلق شقوقًا صغيرة - يمكن أن يؤدي التسخين المفرط لسطح المادة إلى تلف النقاط الحرارية الساخنة. في حين أنه يمكن التحايل على ذلك عن طريق تقليل طاقة النبض، إلا أنه ليس مثاليًا عند الحاجة إلى دقة عالية. ولهذا السبب يلجأ الباحثون إلى أنظمة الليزر فائقة السرعة (الفيمتو ثانية) لتقليل مخاطر الضرر الحراري. وتضمن المدة القصيرة جدًا للنبضة عالية الطاقة توصيل طاقة كافية إلى المادة لوضع علامة عليها بدقة متناهية، مما يؤدي إلى الحد الأدنى من المناطق المتأثرة بالحرارة وتجنب الشقوق الصغيرة.
ومع ذلك، فإن القيد الحالي لهذه التكنولوجيا هو المعدل المنخفض للغاية الذي يمكن كتابة البيانات به، ويمكن أن تستغرق كتابة البيانات على نطاق Tb سنوات حتى تكتمل. ولحسن الحظ، تقترح الاكتشافات المستمرة طرقًا لزيادة سرعات كتابة البيانات. في العام الماضي، نشر باحثون من ORC طريقة كتابة بالليزر موفرة للطاقة في مجلة Optica: هذه الطريقة ليست سريعة فحسب، بل يمكنها تخزين حوالي 500 تيرابايت من البيانات على أقراص السيليكا بحجم القرص المضغوط - يبلغ عددها 10،000 مرات أكثر كثافة من تقنية تخزين أقراص Blu-ray.
تستخدم الطريقة الجديدة للباحثين ليزر ألياف 515- نانومتر بتردد تكرار يبلغ 10 ميجاهرتز ومدة نبض تبلغ 250 fs لإنشاء حفر صغيرة في زجاج السيليكا، والتي تحتوي على هياكل صفائحية نانوية فردية يبلغ قياسها 500 × 50 نانومتر فقط. يمكن استخدام هذه الهياكل النانوية عالية الكثافة لتخزين البيانات الضوئية على المدى الطويل. حقق الباحثون سرعة كتابة تبلغ 1,000,000 فوكسل في الثانية، وهو ما يعادل تسجيل حوالي 225 كيلو بايت من البيانات (أكثر من 100 صفحة نصية) في الثانية.
تم استخدام الطريقة الجديدة لكتابة 5 غيغابايت من البيانات النصية على قرص زجاجي من السيليكون بحجم قرص مضغوط تقليدي بدقة قراءة تقترب من 100 بالمائة. يحتوي كل فوكسل على أربع بتات من المعلومات، وكل فوكسلين يقابلان حرفًا نصيًا واحدًا. باستخدام كثافة الكتابة التي توفرها هذه الطريقة، سيكون القرص قادرًا على استيعاب 500 تيرابايت من البيانات. وقال الباحثون إنه من خلال ترقية نظام الكتابة المتوازية، سيكون من الممكن كتابة هذا القدر من البيانات في حوالي 60 يومًا.