منذ منتصف القرن الماضي، تم استخدام الليزر في وضع العلامات والحفر والقطع. تم تطوير أول آلة وسم بالليزر في العالم في عام 1965 من أجل حفر الثقوب المستقبلية في قوالب تصنيع الماس، واكتسبت التكنولوجيا بعد ذلك زخمًا سريعًا.
المقدمة المبكرة لليزر ثاني أكسيد الكربون لوضع العلاماتحدث ذلك في عام 1967، ووصلت التكنولوجيا إلى مرحلة النضج في منتصف القرن العشرين من خلال تسويق أنظمة ليزر ثاني أكسيد الكربون الحديثة. منذ ذلك الحين، أصبحت أنظمة وضع العلامات بالليزر دعامة أساسية في مجموعة واسعة من الصناعات بدءًا من الطيران وحتى تصنيع الأجهزة الطبية والأدوية وتجارة التجزئة.
على الرغم من التنافس مع التقنيات الأخرى مثل الطباعة النافثة للحبر، فقد تم تصنيف الليزر على أنه تقنية صنع علامات قوية ومنخفضة التكلفة وقابلة للتكرار. والأهم من ذلك، أن العملية صديقة للبيئة ولا تتطلب أي مواد استهلاكية (مثل الحبر والخراطيش والورق). الآن، 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. يمكن الآن لأسرع آلات وضع العلامات التجارية بالليزر معالجة عشرات الآلاف من الأجزاء في الساعة.
في حين أن تطور تكنولوجيا وضع العلامات بالليزر كان سريعًا، فإن الشركات المصنعة ومستخدمي أنظمة وضع العلامات بالليزر يبحثون الآن عن طرق جديدة لدفع حدود تكنولوجيا وضع العلامات لمواجهة التحديات الجديدة وتحسين نتائج المعالجة.
وسم الدائرة الخزفية بالليزر
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.
على سبيل المثال،سيراميكتعتبر من أسرع المواد نمواً في المعالجة بالليزر، ولهذه المادة أهمية خاصة في صناعة أجزاء أشباه الموصلات ولوحات 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 للعلامات الخزفية، مثل ليزر الأشعة فوق البنفسجية ذات الحالة الصلبة التي يتم ضخها بالديود، بالإضافة إلى ليزر ثاني أكسيد الكربون التقليدي. الليزر.
يقول أندرو ماي، مدير شركة للوسم بالليزر: "يتضمن هذا الاتجاه 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."
مواد وأشكال وأحجام أكثر مرونة
ومع ذلك، على الرغم من نموها السريع، فإن وضع العلامات على السيراميك في مجال الإلكترونيات لا يعد حاليًا أكبر سوق لشركة وضع العلامات بالليزر. 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 تكتسب دائمًا عملاء جدد بمتطلبات مخصصة - تؤكد ماي على أن القدرة على التحلي بالمرونة أمر حيوي. 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، حيث تتمتع أجهزة الليزر الخاصة بها بالقدرة على إنتاج كل شيء بدءًا من الرموز وحتى الرسومات ومصفوفات البيانات - كل ذلك بسرعات عالية وإمكانية تكرار نتائج عالية.
لذلك يعد توفير هذه المرونة أمرًا ضروريًا لمصنعي آلات وضع العلامات بالليزر مثلنظام بلوم.
يتزايد 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).
من 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، يعتبر 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 تسمح له بمعرفة 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 آلات وضع العلامات بالليزر 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 بعض الشركات المصنعة لأنظمة وضع العلامات بالليزر ليزر ثاني أكسيد الكربون وليزر الألياف بمتوسط طاقة يبلغ 20-500 واط وأوقات دورات مختلفة، ومزودة بعدسات تركيز ذاتية الضبط للاستخدام على الأسطح ثلاثية الأبعاد التي يمكن ضبطها حسب انحناء الكائن. لحساب الأسطح ذات الأشكال الهندسية غير المعروفة، تستخدم الأنظمة 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 مصنعة لحلول وضع العلامات بالليزر، "في كثير من الحالات، لا تتمكن حلول وضع العلامات القياسية عالميًا، مثل النافثة للحبر، من تلبية المتطلبات اللازمة لتوفير علامة محددة لكل منتج. حاليًا "، الاستخدام المعتاد لليزر متاح بالفعل كطريقة مستمرة، تمامًا مثل استخدام القلم. ومع ذلك، هذا ليس بالسرعة الكافية - نحن بحاجة إلى إيجاد حل يوازن بين حجم الإنتاج والدقة."
يتأثر وضع العلامات التسلسلي لأن 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.
لحل هذه المشكلة، قامت إحدى الشركات المصنعة لحلول وضع العلامات بالليزر بتسجيل براءة اختراع لتقنية VULQ1، والتي فازت بجائزة ابتكار أنظمة الليزر في معرض Laser World Photonics Industrial Production Engineering لهذا العام، والتي لا تختار استخدام شعاع واحد مستمر من الضوء (كما هو الحال في حالة مع أنظمة وضع العلامات التقليدية). وبدلاً من ذلك، يستخدم مئات من أشعة الضوء لإنتاج تأثير يشبه الختم، مما يؤدي إلى إنتاج كود 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)، والذي يمكن ضبطه 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 هذه التقنية تستخدم طاقة نبض أعلى ومعالجة متوازية للحصول على نتائج أفضل.
يقول ثيبوت: "يفتح نظام العلامات الشبيه بالطوابع هذا إمكانات إنتاجية هائلة لوضع علامات على الباركود ثنائي الأبعاد، وهو 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 لهذه التقنية بناء أنظمة تستخدم الأشعة تحت الحمراء الجاهزة للاستخدام وأشعة الليزر Nd: YAG الخضراء بترددات تكرار تبلغ حوالي 20-30 هرتز، مما يضمن أن أنظمتها تظل فعالة من حيث التكلفة قدر الإمكان.
الليزر فائق السرعة يحول الزجاج إلى مخزن للبيانات
مجال آخر مثير للاهتمام في مجال وضع العلامات بالليزر هو تخزين البيانات. يدعي الباحثون أن بإمكانهم 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 سنة 2013،هيتاشيأعلنت عن أول نظام لتخزين البيانات من كريستال الكوارتز، وفي عام 2014، أعلن الباحثون في مركز أبحاث الإلكترونيات الضوئية (ORC) بجامعة ساوثامبتون عن تطويرهم لنظام زجاجي محفور بالليزر بالفيمتو ثانية. بدأت ORC التعاون مع Microsoft Research حول "Project Silica". بدأت ORC العمل مع Microsoft Research حول "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. تضمن المدة القصيرة جدًا للنبضة عالية الطاقة توصيل طاقة كافية إلى المادة لوضع علامة عليها بدقة متناهية، مما يؤدي إلى إنشاء الحد الأدنى فقط من المناطق المتأثرة بالحرارة وتجنب الشقوق الصغيرة.
يتمثل القيد الحالي لهذه التقنية في السرعة المنخفضة للغاية لكتابة البيانات، وقد تستغرق كتابة البيانات بحجم Tb سنوات حتى تكتمل. ولحسن الحظ، تقترح الاكتشافات المستمرة طرقًا لزيادة سرعات كتابة البيانات. في العام الماضي، نشر باحثو ORC طريقة كتابة بالليزر موفرة للطاقة في مجلة Optica: هذه الطريقة ليست سريعة فحسب، بل يمكنها تخزين حوالي 500 تيرابايت من البيانات على أقراص سيليكا بحجم قرص مضغوط - يبلغ عددها 10،000 مرات أكثر كثافة من تقنية تخزين أقراص Blu-ray.
تستخدم الطريقة الجديدة للباحثين ليزر ليفي بطول 515 نانومتر بتردد تكرار قدره 10 ميجا هرتز ومدة نبضة تبلغ 250 fs لإنشاء حفر صغيرة في زجاج السيليكا، والتي تحتوي على هياكل نانوية صفائحية فردية بقياس 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 تبلغ 100٪ تقريبًا. 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.
