Лазерне маркування матеріалів. Переваги лазерного маркування. Устаткування і технології лазерного маркування. Застосування лазерного маркування. Нові можливості лазерних маркіраторав

Маркування деталей і вузлів - один з важливих процесів в сучасному виробництві. Відсутність маркування ускладнює (а в ряді випадків робить неможливим) контроль якості та обсягу продукції, що випускається.
Маркування потрібна виробнику для просування його торгової марки, а споживачеві - як гарантія якості та джерело інформації про параметри продукції. Все це вимагає вдосконалення методів маркування, які не впливають на властивості маркується деталей і виробів.

З існуючих способів маркування лазерна маркування - найбільш сучасний, технологічний і гнучкий метод, що дозволяє управляти лазерним випромінюванням (у часі і в просторі), регулювати його енергію.
При використанні лазерів різної довжини хвилі коло маркується матеріалів дуже широкий: метали, пластик, напівпровідники, гума, шкіра, спецсплави, дерево і т.д. Маркування здійснюється точно, швидко і якісно.

Устаткування і технології лазерного маркування

На сьогодні, незважаючи на різноманіття лазерів, реальне комерційне застосування для маркування отримали системи з твердотільними лазерами з довжиною хвилі 1,06 мкм і СО2-лазерами (10,6 мкм).

Сканаторние і портальні системи, відміну

Сучасний лазерний комплекс для маркування містить, як правило: керуючий комп'ютер, джерело випромінювання, системи передачі, переміщення і контролю параметрів випромінювання. Для промислового застосування використовують лазерні маркери зі сканаторнимі і портальними системами розгортки променя [1] (рис.1).

• Сканатори (або пристрою сканування) переміщають лазерний промінь зі швидкістю до 6 м / с і забезпечують точність відстеження контуру до 1,5 мкм. Їх об'єктиви дозволяють обробляти вироби і поверхні розмірами до 250х250 мм, хоча зазвичай для маркування досить поля 100х100 мм. Сучасні двигуни і нові технічні рішення забезпечують швидкість переміщення променя в портальних системах до 3,5 м / с при високій точності повторення контуру.
• При цьому портальні системи працюють на полі порядку 750х450 мм. Сканатори з успіхом використовуються як для твердотільних, так і для СО2-лазерів. Портальні системи використовуються в основному для СО2-лазерів. Це пов'язано з особливостями фокусування випромінювання різної довжини хвилі [2], яка накладає обмеження на розміри робочого поля і на можливість комбінації системи розгортки з конкретним лазерним випромінювачем.

Відзначимо, що сканатори однаково легко (завдяки меншим моментам інерції) забезпечують як векторний, так і растровий режими маркіровки.

Портальні системи мають кращі показники при растровому режимі маркування.

Існують і інші способи формування зображення, наприклад масочний або побудовані на обертових полігонах. Однак такі системи не є універсальними і розробляються для конкретного застосування.

Лазери, що інтегруються в системи і верстати, повинні мати широкої діапазон, лінійність і монотонність зміни параметрів, стабільність характеристик випромінювання.

СО2-лазери

Відпаяні СО2-лазери з високочастотної накачуванням - основні типи випромінювачів для маркованих систем на базі СО2-лазерів. Вони мають невеликі габарити, легко вбудовуються в різні системи, зручні в управлінні і забезпечують потужність 100-200 Вт (при щільності потужності випромінювання в зоні контакту з матеріалом не вище 105 Вт / см2).

У СО2-лазерах імпульси випромінювання формуються за допомогою широтно-імпульсної модуляції так, що рівень імпульсної потужності не може перевищувати потужність безперервного випромінювання. Інші типи СО2-лазерів (в тому числі і більш потужні) не застосовуються в маркувальних системах через великі габарити і високу вартість.

Зважаючи на такі обмежень СО2-лазери використовуються в основному для маркування неметалічних матеріалів або металів з неметалічних покриттям (забарвлених, анодованих і ін.). Для цих лазерів існує технологія маркування металів з попереднім нанесенням спеціальної пасти або складів, наприклад LMM-14, і їх подальшим видаленням, але вона не знайшла широкого застосування. Прикладом систем на базі СО2-лазерів можуть служити верстати "Лазерного Центру" типу "С-Маркер" (рис.2) і компанії TROTEC серії "SPEEDY 300" (рис.2б).

Рис.2 Лазерні марковані системи на базі СО2-лазерів:

твердотільні лазери

Твердотільні лазери (на відміну від лазерів на СО2) за рахунок модуляції добротності можуть генерувати потужні імпульси високої частоти (до десятків кГц) при низькій середній потужності випромінювання (десятки ватт), забезпечуючи щільність потужності випромінювання в зоні контакту на рівні (1-5) * 108 Вт / см2 і більше [3]. Такі параметри забезпечують інтенсивний вплив випромінювання на матеріал при мінімальному загальному його нагріванні. Це дозволяє застосовувати твердотільні лазери для маркування металів, тугоплавких сплавів і сталей, високоміцної кераміки в різних галузях промисловості.
Прикладом можуть служити випускаються "Лазерним Центром" верстати для лазерного маркування "БетаМаркер-2010", "ДіоМаркер-Д10" і " МініМаркер-М10 "(Рис.3), характеристики яких зведені в табл.1 (тут ОВ - оптоволоконний).

Рис.3 Вид установок з твердотілим лазером для маркування й гравірування:

Незважаючи на відмінності характеристик, всі зазначені типи лазерів з успіхом можуть застосовуватися в верстатах для маркування різних матеріалів. В цілому, параметри лазерних випромінювачів будуть аналогічні представленим в табл.1.

Таблиця 1.
Характеристики випромінювання твердотільних лазерів маркованих систем:

БетаМаркер-2010 ДіоМаркер-Д10 МініМаркер-М10 Марка випромінювача Б-2010 DPSS-10 ILP-05/100/20 Тип випромінювача Nd: YAG-лазер Nd: YAG-лазер ОВ Yt-лазер Пристрій накачування Ксеноновая лампа Диодная лінійка Набір діодів Характеристики випромінювачів: Характеристики випромінювачів:
Довжина хвилі, мкм 1,064 1,064 1,05-1,07 Максимальна потужність, Вт 16 10 10 Енергія в імпульсі, мДж 5 1,5 0,5 Тривалість імпульсу, нс 1000 20-70 100 Частота проходження імпульсів, кГц 0,1 20 1-80 20-100 потужність, кВт 5 1 0,7

Замовник має можливість вибору між різними типами систем.

Для замовника обладнання важливі не тільки їх характеристики, а й споживчі та експлуатаційні властивості. Сьогодні переважають лазерні системи, виконані на лазерах з діодним накачуванням, до яких відносяться і ОВ-лазери (оптоволоконні лазери). Така накачування гарантує 10000-30000 годин безперебійної роботи, тоді як кращі лампи накачування вимагають заміни кожні 500-1000 годин.

Системи для маркування на базі лазерів з діодним накачуванням (до них відносяться волоконні) значно компактніше, легше, простіше в обслуговуванні і набагато надійніше систем з ламповим накачуванням. Вони споживають набагато менше електроенергії і, як правило, не вимагають водяного охолодження, що і забезпечує їм комерційний успіх.

Процес лазерного маркування полягає в модифікації поверхні матеріалу під дією лазерного випромінювання.

Лазерне випромінювання викликає локальний розігрів, плавлення і часткове випаровування матеріалу в області, обмеженою розмірами плями випромінювання, що зумовлює високий ступінь дозволу при невеликому термомеханічному впливі на маркується виріб. Застосування ВЧ-випромінювачів і швидкісних систем розгортки дозволяє отримувати якісні цифро-буквені і графічні зображення на матеріалі виробів. Технологія лазерного маркування має такі переваги:

• широку номенклатуру маркується матеріалів;
  
• відсутність механічного (при мінімальному термічному) впливу на виріб;
  
• висока точність, контрастність і стійкість наносяться зображень;
  
• велика швидкість і продуктивність процесу;
  
• можливість маркування в важкодоступних місцях.

Ці переваги визначають широке застосування лазерного маркування в промисловості.

Застосування лазерного маркування:

Лазерне маркування застосовується в різних галузях промисловості, будучи універсальним методом нанесення інформації на деталі і вироби. Розглянемо деякі загальні приклади:

• Маркування виробів масового виробництва.

  Маркування виробів масового виробництва найбільш ефективна область застосування лазерного маркування. З огляду на мінімальність впливу на матеріал, можна наносити інформацію на готовий виріб (після його тестування) без додаткових операцій. Так як будь-який виріб масового виробництва завжди має розкид параметрів (по якомусь закону), то попередня сортування і наступна маркування вже готового вузла дає можливість поєднати реальні параметри вироби (клас, сорт, точність і т. Д.) З тим, що заявляє виробник. Це дозволяє точно позиціонувати товар в ціновій групі і максимально отримувати прибуток від реалізації якісної продукції споживачеві. Маркування як фінішна операція готового виробу дозволяє відмовитися від диспетчеризації потоків деталей при виробництві, що веде до економії ресурсів.
  Маркування може наноситися на готовий виріб. Це дає виробникові можливість маркувати продукт після його сортування тим логотипом, що використовується тим чи іншим власником торгової марки. Останнє забезпечує точну відповідність продукції вимогам даної марки, працюючи на престиж виробника. Нанесення інформації (спецзнаків) безпосередньо на виріб, дозволяє також забезпечити високу ступінь захисту виробів від підробки.
  Лазерне маркування виробів масового виробництва застосовується при виробництві підшипників, годинникових механізмів, мікросхем, форсунок двигунів і деталей автомобілів .
  

• Маркування серійних виробів з оперативно змінюється інформацією.

  Маркування серійних виробів з оперативно змінюється інформацією - одна з проблем, які можуть бути легко вирішені за допомогою лазерного маркування. Керованість лазерного випромінювання дозволяє наносити динамічно мінливу інформацію про виріб, що зберігається в комп'ютері: номера партії і вироби, дату і час випуску. Аналогічно можна маркувати телефонні та інші пластикові картки, вносячи, наприклад, комбінації номера карти, даних чипа, інформації про замовника та ін. Так само ефективно вирішуються подібні завдання при виробництві інформаційних табличок для збірних виробів і механізмів (автомобілі, двигуни), тепловиділяючих елементів, продукції харчової промисловості.
  

• Маркування виробів з підвищеними вимогами до стійкості маркування.

  Маркування виробів з підвищеними вимогами до стійкості маркування - ще одна задача, успішно вирішується за допомогою лазерного маркування. Унікальні властивості лазерного випромінювання і вибір власне матеріалу дозволяють поєднати високу стійкість маркування та збереження властивостей маркується вироби. Це важливо при маркуванні клавіатур комп'ютерів, пластикових деталей автомобілів, телефонних та інших кнопок, а також при впровадженні системи якості ІСО, що вимагає від виробника гарантувати "простежуваність" вироби протягом декількох (трьох) років.
  

• Маркування штрих-кодів.

  Маркування штрихкодів на виробі дозволяє автоматизувати процес обліку і контролю і забезпечує високу ступінь захисту виробів від підробки. Традиційними методами нанесення штрих-кодів на промислові вироби практично неможливо. В цьому випадку лазерна маркування має безперечну перевагу. Розроблені технології дозволяють сьогодні обробляти різні типи одновимірних штрих-кодів - EAN, ITF, бар-код 39, двовимірних кодів - PDF 417 і ін. Висока роздільна здатність лазерного маркування дає можливість наносити штрих-коди на металеві, пластмасові та інші вироби.
  

Маркування дозволяє замінити традиційні методи нанесення інформації. У попередніх випадках акцентувалася увага на унікальні особливості лазерного маркування. Однак вона може також ефективно застосовуватися і для заміни ударного і електрохімічного методів маркування інструменту, деталей машин і механізмів, панелей приладів, верстатів, зброї та ін.

Нові можливості сучасних лазерних систем для маркування

Поряд з традиційними, цікаві та нові технологічні можливості маркування матеріалів, які дають сучасні випромінювачі, зокрема ОВ-лазери. Їх особливість - в істотно більш високій якості лазерного пучка.

Всі твердотільні лазери, які використовуються для маркування, мають (див. Табл.1) кілька оптимізуються параметрів: частоту і тривалість імпульсу, розподіл потужності по плямі нагріву і т.д.

Відомо, що для лазерів, наприклад з ламповим накачуванням (система типу "БетаМаркер-2010"), оптимальний діапазон частоти при маркуванні металів становить 2-5 кГц, а використання такої частоти в ОВ-лазері (система " МініМаркер-М10 ") Взагалі неможливо. Якщо, наприклад, порівнювати режими маркування в різних системах при однаковій потужності лазерного випромінювання, то коректного результату ми не отримаємо, тому що тимчасові і енергетичні характеристики імпульсів різні, не кажучи про суттєві відмінності просторових характеристик випромінювання.

Мал. 8:

На рис.8 показано стан поверхні нержавіючої сталі після маркування вищезгаданими системами при нормованих умовах обробки (однакове перекриття пучків, візуально схожий результат впливу).

Видно, що малюнки структури після обробки мають суттєві відмінності.

• ОВ-лазер ( "МініМаркер-М10"), маючи високостабільні просторово-часові характеристики випромінювання, формує чітку, яскраво виражену симетричну структуру (рис.8).
  
• Лазери з ламповим накачуванням ( "БетаМаркер-2010") практично не дозволяють сформувати періодичну структуру на металі (ріс.8в) через зміну просторового розподілу енергії випромінювання від імпульсу до імпульсу (нестабільність цього параметра випромінювання може досягати 100% і більше).
  
• Лазери з діодним накачуванням ( "ДіоМаркер-Д10") займають проміжне положення (рис.8б).

Деякий порушення періодичності структури пов'язано, мабуть, з високою піковою потужністю випромінювання і з нестабільністю, що викликається процесами плавлення і виносу продуктів руйнування з зони взаємодії при формуванні "точки" на металі.

Рис.8 наочно демонструє відмінності сучасних лазерів при маркуванні металів і дає можливість оцінити можливості кожної з систем. Можна очікувати, що лазер з діодним накачуванням (особливо ОВ-лазери) забезпечать істотне поліпшення зображень за рахунок високої роздільної здатності.
Зображення з високою роздільною здатністю виходить при використанні систем "МініМаркер-М10" (ОВ-лазер) і "ДіоМаркер-Д10" (рис.9). При цьому якість растрових картинок, виконаних на металі у систем з ОВ-лазером, трохи вище, як і слід було очікувати з аналізу рис.8.

Потрібно відзначити, що використання лазерних випромінювачів з діодним накачуванням для маркування малорозмірних векторних зображень на металі переважно в порівнянні з ОВ-випромінювачем. Це пояснюється тим, що при відпрацюванні векторного алгоритму в точках зміни напрямку руху система розгортки працює за принципом "гальмування-зупинка-розгін". При цьому кількість тепла, що вводиться волоконними лазерами, істотно більше, ніж лазерами з діодним накачуванням, - з огляду на різницю в діапазоні частот. У ОВ-лазерів мінімальна частота істотно вище, ніж у лазерів з діодним накачуванням, що викликає в цих місцях більший перегрів матеріалу. Це призводить до порушення геометрії при маркуванні векторного зображення малого розміру, особливо коли необхідно отримати глибоку гравірування. Глибоке зображення малого розміру простіше реалізувати лазером з діодним накачуванням, так як він використовує більш низькі частоти. При вирішенні аналогічної задачі ОВ-лазером в місцях зміни напрямку руху включають функцію зниження / підвищення потужності відповідно до зміни швидкості, але це ускладнює технологію й устаткування. При відносно великих розмірах зображень суттєвої різниці між системами немає. Однак продуктивність у ОВ-лазера вище за рахунок більш високих частот.

При гравірування зображень з високою роздільною здатністю на пластиці істотних відмінностей між системами з ОВ-лазером і Nd: YAG-лазером з діодним накачуванням немає. В обох випадках якість маркування дуже висока.

Ефект кольорового маркування Деяк металів и сталева формується стандартними режимами только у систем з ОВ-лазерами.

Стабільність просторово-часових характеристик випромінювання ціх лазерів дает можлівість точно дозуваті Енергію пучка и формуваті чіткі структури на поверхні металу з невеликим розкідом геометричність параметрів. Саме висока якість и стабільність характеристик випромінювання дозволяють отріматі Стійкий ефект кольорового маркування. Відзначимо, що кольорове маркування може бути отримана і у лазерів з діодним і навіть з ламповим накачуванням. Однак цей ефект нестійкий ( "плаваючий") і важко відтворений. Умова сталості інтегральної температури є, мабуть, необхідним, але для отримання ефекту кольорового маркування, потрібні ще якісь умови, пов'язані з просторово-часовими характеристиками випромінювання та їх стабільністю. Саме ці останні умови виконуються у ОВ-лазерів, що і визначають можливість отримання кольорового маркування.
Ефект кольорового лазерного маркування і можливість його використання вимагають подальших досліджень і вивчення, однак вже можна твердо говорити про нього, як про нову технологію.

Джерела, повна версія:

Ще з розділу Статті та поблікаціі :

За дане темі пропонується наступна корисна інформація, яка Вам допоможе:

2019 р