Обзор

Обзор технологии лазерной маркировки


Лазер­ная марки­ровка различ­ных изделий стала одним из наибо­лее популяр­ных приме­не­ний техно­ло­ги­че­ских лазеров. Сегодня ее доля на рынке лазер­ных техно­ло­гий состав­ляет около 18%. Лазер­ные системы грави­ровки исполь­зу­ю­щие различ­ные виды лазеров могут грави­ро­вать практи­че­ски все виды матери­а­лов включая металлы, пластики, керамику, стекло, дерево и кожу, а так же окрашен­ные поверх­ности.


Доли рынка промышленных лазеров по технологии. [ILS]

В большин­стве случаев лазер­ная марки­ровка приме­ня­ется для нанесе­ния буквенно-цифро­вых обозна­че­ний на поверх­но­сти изделия, отмеча­ю­щих дату изготов­ле­ния, сроки годно­сти, серий­ный номер, логотип и т.п. Техно­ло­гия лазер­ной марки­ровки превос­хо­дит тради­ци­он­ные методы в качестве и гибко­сти, и стано­вится таким образом идеаль­ным инстру­мен­том для автома­ти­за­ции. Для всех ее видов харак­терны следу­ю­щие преиму­щества:

  1. долговечность;
  2. высокая эффективность при низких эксплуатационных расходах;
  3. удобство работы даже с нестандартными поверхностями;
  4. бесконтактность и отсутствие специальных требований по подготовке изделия;
  5. простота интеграции и автоматизации;
  6. высокая точность позиционирования луча и локальность воздействия;
  7. высокая повторяемость и высокая скорость процесса.

Механизм лазерной маркировки

Процесс лазерной маркировки включает в себя один или несколько из нижеследующих процессов:

  1. обугливание;
  2. обесцвечивание или изменение цвета пигмента;
  3. изменение структуры поверхности;
  4. нанесение за счет испарения материала;
  5. контролируемого изменения поверхности за счет оплавления.

В общем случае эффект возни­кает за счет процес­сов испаре­ния, плавле­ния или погло­ще­ния в матери­але. Каждый из которых дает особый эффект для различ­ных областей приме­не­ния. Испаре­ние позво­ляет наносить марки­ровку с углуб­ле­нием в материал изделия, точно так же как при механи­че­ской грави­ровке. Плавле­ние вызывает термо-химиче­скую реакцию и чаще всего исполь­зу­ется при марки­ровке пласти­ков. При погло­ще­нии на поверх­но­сти матери­ала возможно получе­ние эффек­тов, таких как, напри­мер, форми­ро­ва­ние цветов побежа­ло­сти на поверх­но­сти титана и нержа­ве­ю­щей стали, позво­ля­ю­щих наносить контраст­ную марки­ровку без видимого повре­жде­ния поверх­ности.

Методы нанесения в технологии лазерной маркировки

Существуют два основных способа лазерной маркировки: перемещение зоны лазерного воздействия по поверхности материала и при помощи масок.


Схема процесса лазерной маркировки при помощи масок.
1. Лазерное излучение. 2. Трафарет. 3. Фокусирующая оптика. 4. Деталь.

При марки­ровке с помощью маски, форми­ро­ва­ние марки­ру­е­мого изобра­же­ния осуществ­ля­ется путем проеци­ро­ва­ния лазер­ного излуче­ния сквозь трафа­рет­ную маску. Далее изобра­же­ние перено­сится умень­ша­ю­щей его оптиче­ской систе­мой на поверх­ность обраба­ты­ва­е­мой детали. Вид марки­ру­е­мого изобра­же­ния полно­стью опреде­ля­ется трафа­рет­ным изобра­же­нием маски. В случае приме­не­ния этого способа обработку произ­во­дят импульс­ным излуче­нием с энергией импульса, доста­точ­ной для форми­ро­ва­ния на материале всего знака.


Схема процесса лазерной маркировки при помощи гальванометрических сканаторов.
1. Лазерное излучение. 2. Гальванометрический сканатор. 3. Поворотное зеркало.
4. Фокусирующая оптика. 5. Деталь.

Для переме­ще­ния зоны лазер­ного воздей­ствия по поверх­но­сти детали сегодня наибо­лее широко приме­няют два метода: «летаю­щую» оптику и гальва­но­мет­ри­че­ские скана­торы. В том и другом случае излуче­ние переме­ща­ется за счет системы зеркал. В этих методах нанесе­ние проис­хо­дит за счет переме­ще­ния луча систе­мой зеркал, во время которого лазер­ный луч поточечно форми­рует необхо­ди­мое изобра­же­ние воздей­ствуя на поверх­ность детали. Управ­ле­ние взаимо­дей­ствием лазера и системы зеркал осуществ­ляют ЧПУ системы или компьютер.

Сравнивая эти два способа нанесения можно заключить следущее:

  1. скорость маркировки: скорость маркировки при помощи масок значительно выше и может достигать нескольких десятков маркировок в секунду. Длительность импульса лазера при этом находится в диапазоне от микро до наносекунд.
  2. зона маркировки: маркировка при помощи системы зеркал обладает значительно большей зоной. Зона маркировки при нанесении при помощи масок сильно ограничена диаметрами пятна и энергией импульса.
  3. гибкость: при маркировке с помощью масок для каждой отдельной маркировки необходим отдельный трафарет. Он требует времени на изготовление и потому этот способ удобен лишь при больших объемах однотипных нанесений. Второй способ лишен этих недостатков, так как форму нанесения определяет программное обеспечение. Что позволяет изменять наносимое изображение от детали к детали.

Методы нанесения в технологии лазерной маркировки

В техно­ло­гии лазер­ной марки­ровки опреде­ля­ю­щими факто­рами при выборе типа лазера являются: тип марки­ру­е­мых матери­а­лов, требо­ва­ния к качеству нанесе­ния, а так же скорость нанесе­ния и общая произ­во­ди­тель­ность. Среди множе­ства источ­ни­ков наибо­лее популярны твердо­тель­ные лазеры (Nd:YAG и волокон­ные) с длинной волны 1,06 мкм и газовые излучающие на длине волны 10,6 мкм.

Первым и наибо­лее важным из крите­рием при выборе лазер­ного источ­ника, является эффек­тив­ность взаимо­дей­ствия лазер­ного излуче­ния с матери­а­лом детали. В таблице приве­ден­ной ниже даны значе­ния коэффи­ци­ен­тов отраже­ния лазер­ного излуче­ния для различ­ных металлов [Trumpf Slovakia 2014]:

Коэффициент отражения R [%]
Материал Длина волны
0,9 – 1,1 мкм 9 – 11 мкм
Золото 94,7 97,7
Серебро 96,4 99
Алюминий 73,3 96,9
Медь 90,1 98,9
Конструкционые стали 65 93,8
Низкоуглеродистая сталь 61,1 93 – 96
Никель 72 95,6
Цинк 49 98,1
Хром 57 93
Кремний 28 28

Как видно из таблицы, газовые лазеры явно проиг­ры­вают твердо­тель­ным, однако не все так однозначно. Если говорить о марки­ровке органи­че­ских матери­а­лов, таких как дерево, пласт­массы, бумага, – то наибо­лее оптималь­ным выбором будет источ­ник с длинной волны 10,6 мкм, но при обработке метал­лов и их сплавов твердо­тель­ные лазеры лидируют за явным преиму­ще­ством. При том они так же могут обраба­ты­вать пластики, кожу и т.п., хотя и менее эффек­тивно.


Доли рынка лазерной маркировки по типу лазеров. [ILS]

Несмотря на невысо­кую стоимость газовых лазеров, и, как следствие, почти двукрат­ную разницу в стоимо­сти при сравне­нии систем марки­ровки началь­ного уровня, лидиру­ю­щие позиции уверенно занимают волокон­ные лазеры, на долю которых прихо­дится почти ¾ рынка. Это обуслов­лено их надеж­но­стью, стабиль­но­стью, практи­че­ски полным отсут­ствием техни­че­ского обслу­жи­ва­ния, ресур­сом работы превос­хо­дя­щим 50 000 часов и удобством интеграции.

Области применения лазерной маркировки

Лазер­ная марки­ровка находит тысячи приме­не­ний. Высоко­ско­рост­ная лазер­ная марки­ровка массово внедря­ется на конвей­е­рах для нанесе­ния кодиро­вок, сроков годно­сти и другой инфор­ма­ции. Эта техно­ло­гия практи­че­ски идеальна для внедре­ния в произ­вод­ствен­ные линии на массо­вом произ­вод­стве. Их гибкость, простота в эксплу­а­та­ции и большой ресурс работы дает значи­тель­ный эконо­ми­че­ский эффект по сравне­нию с тради­ци­он­ными методами.

Фотографии с сайта www.fobalaser.com
1 из 8
Фотографии с сайта www.fobalaser.com
2 из 8
Фотографии с сайта www.fobalaser.com
3 из 8
Фотографии с сайта www.fobalaser.com
4 из 8
Фотографии с сайта www.fobalaser.com
5 из 8
Фотографии с сайта www.fobalaser.com
6 из 8
7 из 8
Фотографии с сайта www.fobalaser.com
Фотографии с сайта www.fobalaser.com
8 из 8

Нанесе­ние штрих-кодов, 2D кодов, QR-кодов и т.д. на продук­цию позво­ляет сохра­нять на ней значи­тель­ные объемы инфор­ма­ции. В послед­ние годы все больше произ­во­ди­те­лей по всему миру наносят подоб­ную марки­ровку не только на конеч­ный продукт но и на отдельные детали.

Благо­даря лазер­ной грави­ровке значи­тельно упрости­лось произ­вод­ство деталей с марки­ров­кой день/ночь – она позво­ляет одновре­менно видеть символы в светлое время суток, исполь­зо­вать подсветку в темное, а также исполь­зо­вать "скрытые" символы, которые стано­вятся видимыми только когда подсве­чены. Суть техно­ло­гии заклю­ча­ется в нанесе­нии на прозрач­ную или полупро­зрач­ную подложку одного или двух слоев краски (напри­мер это может быть белый цвет, перекры­тый темно-серым). Затем при помощи лазера удаля­ется верхний слой краски, без повре­ждения нижнего.

Подготовлено по материалам:
Adelina HAN, Dinu GUBENCU – ANALYSIS OF THE LASER MARKING TECHNOLOGIES – Nonconventional Technologies Review – no.4/ 2008 – p.17
LYDIA SOBOTOVA, PETER DEMEC – LASER MARKING OF METAL MATERIALS – MM Science Journal; Dec2015, p808
David Belforte – 2015 Industrial laser market outperforms global manufacturing instability – ILS