Desde mediados de la década de 1990, los láseres se han utilizado para marcar, grabar y cortar. La primera máquina de marcado láser del mundo se desarrolló en 1965 para la futura perforación de agujeros en moldes de fabricación de diamantes, y posteriormente la tecnología cobró rápido impulso.
La introducción temprana deLáseres de CO2 para marcar.ocurrió en 1967, y la tecnología alcanzó su madurez a mediados de la década de 1960 mediante la comercialización de modernos sistemas láser de CO2. Desde entonces, los sistemas de marcado láser se han convertido en un pilar en una amplia gama de industrias, desde la aeroespacial hasta la fabricación de dispositivos médicos, la farmacéutica y la minorista.
A pesar de competir con otras tecnologías como la impresión por inyección de tinta, el láser se ha convertido en una tecnología de marcado potente, de bajo costo y repetible. Es importante destacar que el proceso es ecológico y no requiere consumibles (como tinta, cartuchos y papel). Ahora, los sistemas de marcado láser ya no dependen únicamente de láseres de CO2; otros, como los láseres de fibra y las fuentes de luz de estado sólido Nd:YAG, ofrecen espacios más pequeños, menores costos de mantenimiento y alternativas eficientes; y los avances en las capacidades tecnológicas son evidentes. Las máquinas de marcado láser comerciales más rápidas ahora pueden procesar decenas de miles de piezas por hora.
Si bien la evolución de la tecnología de marcado láser ha sido rápida, los fabricantes y usuarios de sistemas de marcado láser ahora están buscando nuevas rutas para ampliar los límites de la tecnología de marcado para enfrentar nuevos desafíos y mejorar los resultados del procesamiento.
Marcado láser de circuito cerámico
Estos desafíos provienen de nuevos materiales que deben procesarse y nuevas aplicaciones que deben atenderse; cada uno de ellos impulsa la necesidad de crecimiento e innovación y, al mismo tiempo, da forma al mercado para el desarrollo de sistemas láser.
Por ejemplo,cerámicason uno de los materiales de más rápido crecimiento en el procesamiento láser y este material es particularmente importante en la fabricación de piezas semiconductoras y placas de circuito. A menudo denominadas la "madre de todos los productos de sistemas electrónicos", las placas de circuito impreso (PCB) son un componente utilizado en prácticamente todos los productos electrónicos, y los pequeños cambios en el desarrollo de PCB tienen un impacto significativo en las tendencias del mercado.
En los últimos años, la atención se ha desplazado hacia el uso de cerámica en placas de circuito impreso (PCB) convencionales, que están hechas de resinas epoxi plásticas como el FP4. Las placas de circuito cerámico ofrecen una excelente tratabilidad térmica, son fáciles de implementar y brindan un rendimiento superior en comparación con las placas de circuito impreso no cerámicas. Sin embargo, muchas técnicas de marcado, como el procesamiento con pantalla, no son adecuadas para la cerámica. El marcado con tinta de cerámica es engorroso, requiere varios consumibles y no es resistente a la abrasión. La fragilidad y dureza de la cerámica también la convierte en uno de los materiales más difíciles de marcar.
Como resultado, los láseres han cobrado importancia en los últimos años como alternativa a la tecnología de impresión con tinta, y muchas empresas de láser han desarrollado sistemas particularmente adecuados para marcas cerámicas, como los láseres UV de estado sólido bombeados por diodos, así como los láseres de CO2 convencionales. láseres.
"Esto incluye una tendencia hacia la miniaturización", afirma Andrew May, director de una empresa de marcado láser. Sin embargo, subraya que introducir nuevas tendencias en el mercado también lleva tiempo: "¿Hay una nueva aplicación cada semana? No. Pero hace 15 años nunca marcábamos en cerámicas en miniatura y ahora sí lo hacemos".
Materiales, formas y tamaños más flexibles
Sin embargo, a pesar de su rápido crecimiento, el marcado cerámico en electrónica no es actualmente el mercado más grande de la empresa de marcado láser. "La industria más importante para nosotros es la de los dispositivos médicos", dice Andrew May, "luego la automoción, la electrónica y los componentes de ingeniería en general. La gama de productos necesarios varía mucho según la industria y el sector en cuestión".
La empresa cuenta con ocho sistemas láser (cinco de los cuales son impulsados por Galv) que brindan servicios de marcado para una amplia variedad de aplicaciones. Por esto, y porque la empresa siempre está adquiriendo nuevos clientes con requisitos personalizados, May enfatiza que la capacidad de ser flexible es vital. Como resultado, utiliza láseres adecuados para marcar diferentes materiales, formas y tamaños, así como diferentes tamaños de lotes. La gama de marcadores que puede ofrecer también es tan diversa como su base de clientes, con láseres capaces de producir de todo, desde códigos hasta gráficos y matrices de datos, todo a altas velocidades y con alta reproducibilidad.
Por lo tanto, satisfacer esta flexibilidad es una necesidad para los fabricantes de máquinas de marcado láser comoSistema Bluhm.
La demanda de trazabilidad de componentes está creciendo
Otra tendencia importante en el campo del marcado láser es la garantía y el perfeccionamiento de la trazabilidad: la identificación individual de un producto mediante una marca de identificación única en su superficie. Este marcado puede adoptar muchas formas, pero cada vez es más popular e importante el uso de matrices de datos, como códigos bidimensionales (códigos QR).
Al marcar un producto individual con su propio código de matriz de datos único, se puede identificar fácilmente y de forma no intrusiva con detalles clave como el fabricante, el número de lote y la vida útil. Esto proporciona garantía de calidad: los consumidores y usuarios pueden determinar el origen exacto de un producto. Este aseguramiento de la calidad crea un vínculo directo entre el consumidor y el fabricante y otorga valor agregado al producto, permitiéndoles competir con la fabricación de menor costo. Debido a su increíble precisión, el láser es ideal para escribir códigos detallados de tan solo 200 μm de tamaño: demasiado pequeño para que lo vea alguien que pasa, pero se puede verificar fácilmente con un teléfono inteligente si una persona conoce su ubicación. En tales tamaños, las matrices de datos se pueden utilizar con fines antifalsificación, lo que facilita comprobar la autenticidad de productos de alta calidad de forma no intrusiva. Esto tiene un enorme impacto en la industria farmacéutica, ya que es una forma de garantizar que medicamentos como las píldoras no se produzcan ni distribuyan de manera fraudulenta.
La trazabilidad de los componentes también juega un papel importante cuando se utilizan como prueba en un litigio. Por ejemplo, si alguien recibe un trasplante médico y el trasplante falla, la trazabilidad le permite saber exactamente qué salió mal, dónde salió mal y en qué lote salió mal. Sin duda, esto aumenta la eficiencia en aspectos como la retirada de productos, pero también proporciona al cliente más autonomía. Puede que no sea obvio, pero a medida que la sociedad se interesa más en los litigios, la tecnología que puede mejorar los veredictos de los litigios tendrá que mantenerse al día.
La trazabilidad también contribuye a otra tendencia en la fabricación: mejorar la sostenibilidad ambiental y reducir el impacto ecológico. Al realizar un seguimiento de un producto para saber cuándo falla o cuándo llega al final de su ciclo de vida, los fabricantes pueden reemplazar y reciclar de manera más proactiva. Esto también significa que los productos pueden devolverse para su reacondicionamiento según lo previsto, por lo que menos equipos pueden terminar en los vertederos.
Sin embargo, los sistemas actuales de etiquetado matricial de datos enfrentan muchos desafíos. Ciertos materiales dificultan su manipulación, en particular el vidrio y los polímeros, así como los metales y láminas finos. El marcado también debe ser permanente y estable, y el sistema debe poder adaptarse a una amplia gama de tamaños de productos.
Un desafío particular para algunas máquinas de marcado láser es el marcado en superficies no planas. Las impresoras de inyección de tinta todavía superan en número a los sistemas basados en láser en este ámbito. Como resultado, los ingenieros de sistemas están trabajando para superar estos desafíos. Por ejemplo, algunos fabricantes de sistemas de marcado láser ofrecen láseres de CO2 y de fibra con una potencia promedio de 20-500 W y tiempos de ciclo variables, equipados con ópticas de enfoque autoajustables para uso en superficies 3D que se pueden ajustar a la curvatura de el objeto. Para tener en cuenta superficies con geometrías desconocidas, los sistemas utilizan un sistema de visión de enfoque automático que primero escanea la superficie 3D y luego ajusta el enfoque del láser durante el proceso de marcado.
Sin embargo, las superficies no planas no son el único desafío al que se enfrentan los fabricantes de sistemas de marcado láser. El Dr. Florent Thibaut, director general de un fabricante de soluciones de marcado láser, explica: "En muchos casos, las soluciones de marcado estandarizadas a nivel mundial, como la inyección de tinta, no son capaces de cumplir los requisitos necesarios para proporcionar un marcado específico para cada producto. Actualmente "El uso habitual del láser ya está disponible como método continuo, como si se utilizara un bolígrafo. Sin embargo, esto no es lo suficientemente rápido: necesitamos encontrar una solución que equilibre el volumen de producción y la precisión".
El marcado secuencial se ve afectado porque el marcado láser debe cambiar para cada producto, por lo que contar con una tecnología de marcado que pueda adaptarse a cada producto es fundamental. Los fabricantes exigen un rendimiento extremadamente alto: el marcado debe adaptarse y la velocidad de marcado debe ser alta, y esto ni siquiera tiene en cuenta las dificultades del procesamiento de ciertos materiales como el vidrio o los polímeros.
Para solucionar este problema, un fabricante de soluciones de marcado láser ha patentado su tecnología VULQ1, ganadora del Premio a la Innovación en Sistemas Láser en la edición de este año del Laser World Photonics Industrial Production Engineering, que no opta por el uso de un haz de luz continuo (como es el (caso de los sistemas de marcado convencionales). En su lugar, utiliza cientos de rayos de luz para producir un efecto similar al de un sello, generando un código de matriz de datos completo en un instante. El método utilizado para producir este sello único es la conformación dinámica del haz, que se logra utilizando componentes como el Modulador de Luz Espacial (SLM), que puede ajustarse por disparo para crear haces con una estructura única.
Si bien otras tecnologías de marcado láser pueden priorizar altas tasas de repetición para lograr un alto rendimiento, esta tecnología utiliza una mayor energía de pulso y procesamiento paralelo para obtener mejores resultados.
Thibaut dice: "Este esquema de marcado similar a un sello desbloquea un tremendo potencial de productividad para el marcado de códigos de barras 2D y es fácil de implementar".
Por ejemplo, su tecnología se puede utilizar para marcar piezas médicas de PVC con un código de matriz de datos de 570-μm de ancho a una velocidad de 77,000 por hora. Otros materiales que el sistema puede marcar incluyen aluminio recubierto con polímero HDPE; vidrio sodocálcico; vidrio de borosilicato, oro puro y compuesto moldeado con epoxi.
Thibault añade: "Los tamaños de los patrones pueden ser tan pequeños como 100 μm manteniendo al mismo tiempo una legibilidad perfectamente clara, incluso cuando se marcan en línea recta, ya que todos los puntos se marcan simultáneamente". Es más, como no tiene que depender de altas frecuencias de repetición, la tecnología puede construir sistemas utilizando láseres infrarrojos y verdes Nd:YAG disponibles en el mercado con frecuencias de repetición de alrededor de 20-30 Hz, lo que garantiza que sus sistemas seguir siendo lo más rentable posible.
Un láser ultrarrápido convierte el vidrio en almacenamiento de datos
Otra nueva e interesante área del marcado láser es el almacenamiento de datos. Los investigadores afirman que pueden producir sistemas de almacenamiento de datos eficientes mediante el uso de láseres ultrarrápidos para codificar datos en medios de vidrio/cristal. Los datos se almacenan en vidrio/cristal en forma de microablación y, una vez producidos, podrán conservarse durante una cantidad de tiempo asombrosa.
En 2013,Hitachianunció su primer sistema de almacenamiento de datos de cristal de cuarzo y, en 2014, investigadores del Centro de Investigación Optoelectrónica (ORC) de la Universidad de Southampton anunciaron el desarrollo de un sistema de vidrio grabado con láser de femtosegundo. ORC ha comenzado a colaborar con Microsoft Research en el "Proyecto Silica" ORC ha comenzado a trabajar con Microsoft Research en el "Proyecto Silica", que promete desarrollar sistemas de almacenamiento a escala zb y "repensar fundamentalmente cómo construir sistemas de almacenamiento masivo".
Sin embargo, escribir sobre vidrio no es una tarea fácil y los sistemas láser pulsados UV o CO2 estándar pueden crear microfisuras: el calentamiento excesivo de la superficie del material puede provocar daños en los puntos calientes. Si bien esto se puede evitar reduciendo la energía del pulso, no es ideal cuando se requiere alta precisión. Es por eso que los investigadores están recurriendo a sistemas láser ultrarrápidos (femtosegundos) para minimizar el riesgo de daño térmico. La duración ultracorta del pulso de alta energía garantiza que se entregue suficiente energía al material para marcarlo con extrema precisión, creando solo zonas mínimas afectadas por el calor y evitando microfisuras.
La limitación actual de esta tecnología es la velocidad extremadamente baja de escritura de datos, y la escritura de datos a escala Tb puede tardar años en completarse. Afortunadamente, los avances en curso sugieren formas de aumentar la velocidad de escritura de datos. El año pasado, los investigadores de ORC publicaron en la revista Optica un método de escritura láser energéticamente eficiente: este método no solo es rápido, sino que también puede almacenar alrededor de 500 Tb de datos en discos de sílice del tamaño de un CD: son 10,000 veces más denso que la tecnología de almacenamiento Blu-ray Disc.
El nuevo método de los investigadores utiliza un láser de fibra de 515 nm con una frecuencia de repetición de 10 MHz y una duración de pulso de 250 fs para crear pequeños hoyos en el vidrio de sílice, que contienen estructuras nanolaminares individuales que miden sólo 500 × 50 nm. Estas nanoestructuras de alta densidad se pueden utilizar para el almacenamiento de datos ópticos a largo plazo. Los investigadores lograron una velocidad de escritura de 1,000,000 vóxeles por segundo, lo que equivale a registrar unos 225 KB de datos (más de 100 páginas de texto) por segundo.
El nuevo método se utilizó para escribir 5 GB de datos de texto en un disco de vidrio de silicio del tamaño de un CD-ROM convencional con casi un 100% de precisión de lectura. Cada vóxel contiene cuatro bits de información, y cada dos vóxeles corresponde a un carácter de texto. Utilizando la densidad de escritura proporcionada por el método, el disco podrá contener 500 Tb de datos. Al actualizar el sistema para escritura paralela, debería ser factible escribir esa cantidad de datos en aproximadamente 60 días, dijeron los investigadores.
