Depuis le milieu-1960des lasers sont utilisés pour le marquage, la gravure et la découpe. La première machine de marquage laser au monde a été développée en 1965 pour le futur perçage de trous dans des moules de fabrication de diamants, et la technologie a ensuite pris rapidement de l'ampleur.
L'introduction précoce deLasers CO2 pour le marquages'est produit en 1967 et la technologie a atteint sa maturité au milieu-1970 grâce à la commercialisation de systèmes laser CO2 modernes. Depuis lors, les systèmes de marquage laser sont devenus un pilier dans un large éventail d'industries allant de l'aérospatiale à la fabrication de dispositifs médicaux, en passant par les produits pharmaceutiques et la vente au détail.
Bien qu’ils soient en concurrence avec d’autres technologies telles que l’impression à jet d’encre, les lasers ont été reconnus comme une technologie de marquage puissante, peu coûteuse et reproductible. Il est important de noter que le processus est respectueux de l’environnement et ne nécessite aucun consommable (tel que l’encre, les cartouches et le papier). Désormais, les systèmes de marquage laser ne reposent plus uniquement sur des lasers CO2 ; d'autres, tels que les lasers à fibre et les sources lumineuses à semi-conducteurs Nd:YAG, offrent des empreintes au sol plus réduites, des coûts de maintenance inférieurs et des alternatives efficaces ; et les progrès en matière de capacités technologiques sont évidents. Les machines de marquage laser commerciales les plus rapides peuvent désormais traiter des dizaines de milliers de pièces par heure.
Alors que l'évolution de la technologie de marquage laser a été rapide, les fabricants et les utilisateurs de systèmes de marquage laser recherchent désormais de nouvelles voies pour repousser les limites de la technologie de marquage afin de relever de nouveaux défis et d'améliorer les résultats de traitement.
Marquage laser des circuits céramiques
Ces défis proviennent de nouveaux matériaux à traiter et de nouvelles applications à desservir, chacune générant le besoin de croissance et d'innovation tout en façonnant le marché du développement de systèmes laser.
Par exemple,céramiquesont l'un des matériaux à la croissance la plus rapide dans le traitement laser, et ce matériau est particulièrement important dans la fabrication de pièces semi-conductrices et de circuits imprimés. Souvent désignées comme « la mère de tous les produits de systèmes électroniques », les cartes de circuits imprimés (PCB) sont un composant utilisé dans pratiquement tous les produits électroniques, et de petits changements dans le développement des PCB ont un impact significatif sur les tendances du marché.
Ces dernières années, l'attention s'est portée sur l'utilisation de céramiques dans les cartes de circuits imprimés (PCB) conventionnelles, fabriquées à partir de résines époxy plastiques telles que le FP4. Les cartes de circuits imprimés en céramique offrent une excellente traitabilité thermique, sont faciles à mettre en œuvre et offrent des performances supérieures par rapport aux cartes de circuits imprimés non céramiques. Cependant, de nombreuses techniques de marquage, telles que le traitement au sérigraphie, ne conviennent pas aux céramiques. Le marquage à l'encre des céramiques est fastidieux, nécessite plusieurs consommables et ne résiste pas à l'abrasion. La fragilité et la dureté de la céramique en font également l’un des matériaux les plus difficiles à marquer.
En conséquence, les lasers ont pris de l'importance ces dernières années comme alternative à la technologie d'impression à l'encre, et de nombreuses sociétés de laser ont développé des systèmes particulièrement adaptés aux marquages céramiques, tels que les lasers UV à semi-conducteurs pompés par diode, ainsi que les lasers CO2 conventionnels. lasers.
"Cela inclut une tendance à la miniaturisation", explique Andrew May, directeur d'une entreprise de marquage laser. Cependant, il souligne que l'introduction de nouvelles tendances du marché prend également du temps : « Y a-t-il une nouvelle application chaque semaine ? Non. Mais il y a 15 ans, nous n'avions jamais marqué sur des céramiques miniatures, et maintenant nous le faisons.
Matériaux, formes et tailles plus flexibles
Cependant, malgré sa croissance rapide, le marquage céramique dans l'électronique ne constitue pas actuellement le marché le plus important des entreprises de marquage laser. "Pour nous, le plus grand secteur d'activité est celui des dispositifs médicaux", explique Andrew May, "puis des composants automobiles, électroniques et d'ingénierie générale. La gamme de produits requis varie considérablement en fonction du secteur et de l'industrie en question."
La société dispose de huit systèmes laser (dont cinq pilotés par Galv) fournissant des services de marquage pour une grande variété d'applications. Pour cette raison, et parce que l'entreprise acquiert toujours de nouveaux clients avec des exigences sur mesure, May souligne que la capacité à faire preuve de flexibilité est vitale. En conséquence, elle utilise des lasers adaptés au marquage de différents matériaux, formes et tailles, ainsi que de différentes tailles de lots. La gamme de marqueurs qu'elle peut proposer est également aussi diversifiée que sa clientèle, avec ses lasers capables de tout produire, des codes aux graphiques et matrices de données, le tout à des vitesses élevées et avec une reproductibilité élevée.
Répondre à cette flexibilité est donc une nécessité pour les fabricants de machines de marquage laser tels queSystème Bluhm.
La demande de traçabilité des composants augmente
Une autre tendance importante dans le domaine du marquage laser est l'assurance et le perfectionnement de la traçabilité - l'identification individuelle d'un produit au moyen d'une marque d'identification unique sur sa surface. Ce marquage peut prendre de nombreuses formes, mais l'utilisation de matrices de données telles que les codes bidimensionnels (codes QR) est de plus en plus populaire et importante.
En marquant un produit individuel avec son propre code Data Matrix unique, il peut être facilement identifié de manière non intrusive avec des détails clés tels que le fabricant, le numéro de lot et la durée de vie. Cela garantit la qualité : les consommateurs et les utilisateurs peuvent déterminer l’origine exacte d’un produit. Cette assurance qualité crée un lien direct entre le consommateur et le fabricant et confère une valeur ajoutée au produit, lui permettant de rivaliser avec une fabrication à moindre coût. En raison de son incroyable précision, le laser est idéal pour écrire des codes détaillés d'une taille aussi petite que 200 μm - trop petit pour être vu par quelqu'un qui passe, mais facilement vérifié avec un smartphone si une personne connaît sa position. À de telles tailles, les matrices de données peuvent être utilisées à des fins de lutte contre la contrefaçon, facilitant ainsi la vérification de l'authenticité de produits de haute qualité de manière non intrusive. Cela a un impact énorme sur l’industrie pharmaceutique, car il s’agit d’un moyen de garantir que des médicaments tels que des pilules ne sont pas produits et distribués de manière frauduleuse.
La traçabilité des composants joue également un rôle important lorsqu’elle est utilisée comme preuve dans un litige. Par exemple, si une personne subit une greffe médicale et que la greffe échoue, la traçabilité lui permet de savoir exactement ce qui n’a pas fonctionné, où cela s’est mal passé et dans quel lot cela s’est mal passé. Cela augmente certes l’efficacité dans des domaines tels que les rappels de produits, mais cela donne également plus d’autonomie au client. Cela n’est peut-être pas évident, mais à mesure que la société s’intéresse davantage aux litiges, la technologie susceptible d’améliorer les verdicts des litiges devra suivre le rythme.
La traçabilité contribue également à une autre tendance dans le secteur manufacturier : l’amélioration de la durabilité environnementale et la réduction de l’impact écologique. En suivant un produit pour savoir quand il tombe en panne ou quand il atteint la fin de son cycle de vie, les fabricants sont mieux à même de le remplacer et de le recycler de manière proactive. Cela signifie également que les produits peuvent être retournés pour remise à neuf comme prévu, de sorte que moins d'équipements risquent de finir dans les décharges.
Cependant, les systèmes d’étiquetage Data Matrix actuels sont confrontés à de nombreux défis. Certains matériaux rendent la manipulation plus difficile, notamment le verre et les polymères, ainsi que les métaux et feuilles minces. Le marquage doit également être permanent et stable, et le système doit pouvoir s'adapter à une large gamme de tailles de produits.
Un défi particulier pour certaines machines de marquage laser est le marquage sur des surfaces non planes. Les imprimantes à jet d'encre sont toujours plus nombreuses que les systèmes laser dans ce domaine. En conséquence, les ingénieurs système s’efforcent de surmonter ces défis. Par exemple, certains fabricants de systèmes de marquage laser proposent des lasers CO2 et à fibre d'une puissance moyenne de 20-500 W et des temps de cycle variables, équipés d'optiques de focalisation à réglage automatique pour une utilisation sur des surfaces 3D pouvant être ajustées à la courbure de L'object. Pour tenir compte des surfaces aux géométries inconnues, les systèmes utilisent un système de vision à mise au point automatique qui scanne d'abord la surface 3D, puis ajuste la mise au point du laser pendant le processus de marquage.
Toutefois, les surfaces non planes ne constituent pas le seul défi auquel sont confrontés les fabricants de systèmes de marquage laser. Le Dr Florent Thibaut, PDG d'un fabricant de solutions de marquage laser, explique : « Dans de nombreux cas, les solutions de marquage standardisées au niveau mondial, comme le jet d'encre, ne sont pas en mesure de répondre aux exigences nécessaires pour fournir un marquage spécifique pour chaque produit. Actuellement , l'utilisation habituelle des lasers est déjà disponible en tant que méthode continue, tout comme l'utilisation d'un stylo. Cependant, cela n'est pas assez rapide : nous devons trouver une solution qui équilibre le volume de production et la précision.
Le marquage séquentiel est affecté car le marquage laser doit changer pour chaque produit. Il est donc essentiel de disposer d'une technologie de marquage pouvant être adaptée à chaque produit. Les industriels exigent des cadences extrêmement élevées - le marquage doit s'adapter et la cadence de marquage doit être élevée - et cela sans même prendre en compte les difficultés de transformation de certains matériaux comme le verre ou les polymères.
Pour résoudre ce problème, un fabricant de solutions de marquage laser a breveté sa technologie VULQ1, qui a remporté le prix de l'innovation des systèmes laser au Laser World Photonics Industrial Production Engineering de cette année, qui n'opte pas pour l'utilisation d'un seul faisceau de lumière continu (comme c'est le cas du Laser World Photonics Industrial Production Engineering). cas avec les systèmes de marquage conventionnels). Au lieu de cela, il utilise des centaines de faisceaux lumineux pour produire un effet semblable à un tampon, produisant ainsi un code Data Matrix complet en un instant. La méthode utilisée pour produire ce timbre unique est la mise en forme dynamique du faisceau, qui est réalisée à l'aide de composants tels que le modulateur spatial de lumière (SLM), qui peut s'ajuster pour chaque tir pour créer des faisceaux avec une structure unique.
Alors que d'autres technologies de marquage laser peuvent donner la priorité à des taux de répétition élevés pour un débit élevé, cette technologie utilise une énergie d'impulsion plus élevée et un traitement parallèle pour de meilleurs résultats.
Thibaut déclare : « Ce système de marquage semblable à un tampon libère un énorme potentiel de productivité pour le marquage de codes-barres 2D et est simple à mettre en œuvre. »
Par exemple, sa technologie peut être utilisée pour marquer des pièces médicales en PVC avec un code Data Matrix de 570-μm de large à une cadence de 77,000 par heure. Les autres matériaux que le système peut marquer comprennent l'aluminium recouvert de polymère HDPE ; un verre de soda au citron; verre borosilicate, or pur et composite moulé époxy.
Thibault ajoute : « Les tailles de motifs peuvent être aussi petites que 100 μm tout en conservant une lisibilité parfaitement claire, même lors d'un marquage en ligne droite, car tous les points sont marqués simultanément. » De plus, comme elle n'a pas besoin de s'appuyer sur des fréquences de répétition élevées, la technologie peut construire des systèmes utilisant des lasers Nd : YAG infrarouges et verts disponibles dans le commerce avec des fréquences de répétition d'environ 20-30 Hz, garantissant ainsi que ses systèmes rester aussi rentable que possible.
Un laser ultrarapide transforme le verre en stockage de données
Un autre nouveau domaine passionnant du marquage laser est le stockage de données. Les chercheurs affirment qu'ils peuvent produire des systèmes de stockage de données efficaces en utilisant des lasers ultrarapides pour coder les données sur des supports en verre/cristal. Les données sont stockées dans du verre/cristal sous forme de micro-ablation, et une fois produites, elles pourront être conservées pendant une durée incroyable.
En 2013,Hitachia annoncé son premier système de stockage de données à cristaux de quartz et, en 2014, des chercheurs du Centre de recherche en optoélectronique (ORC) de l'Université de Southampton ont annoncé le développement d'un système de verre gravé au laser femtoseconde. L'ORC a commencé à collaborer avec Microsoft Research sur le « Projet Silica ». L'ORC a commencé à travailler avec Microsoft Research sur le « Projet Silica », qui promet de développer des systèmes de stockage à l'échelle zb et de « repenser fondamentalement la façon de construire des systèmes de stockage de masse ».
Cependant, écrire sur du verre n'est pas une tâche facile et les systèmes laser UV ou CO2 pulsés standards peuvent créer des microfissures : un échauffement excessif de la surface du matériau peut entraîner des dommages au niveau des points chauds thermiques. Bien que cela puisse être contourné en réduisant l’énergie d’impulsion, ce n’est pas idéal lorsqu’une haute précision est requise. C'est pourquoi les chercheurs se tournent vers les systèmes laser ultrarapides (femtoseconde) pour minimiser le risque de dommages thermiques. La durée ultra-courte de l'impulsion à haute énergie garantit que suffisamment d'énergie est délivrée au matériau pour le marquer avec une extrême précision, créant ainsi un minimum de zones affectées par la chaleur et évitant les microfissures.
La limite actuelle de cette technologie est la vitesse extrêmement faible d’écriture des données, et l’écriture de données à l’échelle de la To peut prendre des années. Heureusement, les avancées en cours suggèrent des moyens d’augmenter les vitesses d’écriture des données. L'année dernière, des chercheurs d'ORC ont publié une méthode d'écriture laser économe en énergie dans la revue Optica : non seulement cette méthode est rapide, mais elle peut également stocker environ 500 To de données sur des disques de silice de la taille d'un CD - ils sont 10,000 fois plus dense que la technologie de stockage Blu-ray Disc.
La nouvelle méthode des chercheurs utilise un laser à fibre de 515 nm avec une fréquence de répétition de 10 MHz et une durée d'impulsion de 250 fs pour créer de minuscules piqûres dans le verre de silice, qui contiennent des structures nanolaminaires individuelles mesurant seulement 500 × 50 nm. Ces nanostructures haute densité peuvent être utilisées pour le stockage de données optiques à long terme. Les chercheurs ont atteint une vitesse d'écriture de 1,000,000 voxels par seconde, ce qui équivaut à l'enregistrement d'environ 225 Ko de données (plus de 100 pages de texte) par seconde.
La nouvelle méthode a été utilisée pour écrire 5 Go de données texte sur un disque en verre de silicium de la taille d'un CD-ROM classique avec une précision de lecture de près de 100 %. Chaque voxel contient quatre bits d'information, tous les deux voxels correspondant à un caractère de texte. Grâce à la densité d'écriture fournie par la méthode, le disque pourra contenir 500 To de données. En améliorant le système pour l'écriture parallèle, il devrait être possible d'écrire autant de données en 60 jours environ, ont indiqué les chercheurs.
