علامت گذاری لیزری با لیزر فایبر

سرعت ، سادگی ، استحکام و مقرون به صرفه بودن به لیزرهای فیبر دار مزیتی در این "هنر سیاه" می دهد.

صنعت علامت گذاری لیزری در 10 سال گذشته گسترش یافته است و سیستم های علامت گذاری لیزری در حال حاضر از بسیاری از تامین کنندگان در سراسر جهان در دسترس است. تقریباً هر صنعتی برای تعداد بیشتری از محصولات و اجزای تولیدی به قابلیت ردیابی نیاز دارد و علامت گذاری لیزری بسیاری از این الزامات را به دلیل انعطاف پذیری ذاتی ، سرعت ، قابلیت اطمینان و سهولت استفاده از سیستم های لیزری در مقایسه با تکنیک های علامت گذاری معمولی برطرف کرده است. اگرچه انواع مختلف لیزرها و چندین طول موج لیزری متفاوت مورد استفاده قرار گرفته و در حال استفاده هستند ، لیزرهای فیبر به ویژه افزایش چشمگیری داشته اند - تقریباً همه تولیدکنندگان سیستم های علامت گذاری حداقل یک مدل لیزری فیبر دار در محدوده خود دارند. مزایای استفاده از فناوری لیزر فیبر به خوبی شناخته شده و به خوبی مستند شده است ، اما این مقاله برخی از زمینه های کمتر شناخته شده دیگر را مرور می کند و مزایای لیزرهای فیبر را برای مورد خاص علامت گذاری لیزر بررسی می کند.

بررسی بازار

لیزرهای فیبر موج پیوسته کم مصرف برای علامت گذاری مدارهای مجتمع در حدود 1998 مورد استفاده محدودی قرار گرفتند و مدتی پس از این بود که اولین واحدهای نانوسکوم پالس ، قادر به طیف وسیع تری از کاربردهای علامت گذاری ، معرفی شدند - این واقعاً شروع انقلاب لیزری فیبر ، که هنوز در حال جمع شدن است. در کل بخش های بازار درآمد جهانی لیزر فیبر در سال 2011 48 درصد افزایش یافته است ، و در بخش علامت گذاری و حکاکی ، لیزرهای فیبر 34 درصد افزایش فروش را نشان داده اند در مقایسه با لیزرهای حالت جامد پمپ شده با دیود (DPSS) که تنها 4 درصد در سال گذشته افزایش یافته است. .1 افزایش استفاده از لیزرهای فیبر برای علامت گذاری عملا لیزرهای حالت جامد پمپ شده با لامپ های فلش را در سطوح توان پایین (<30 وات) حذف کرده است. آخرین سنگر سایر انواع لیزر مادون قرمز در زمینه علامت گذاری و حکاکی ، برای قدرتمندتر و حکاکی سریعتر ، در سطوح قدرت بالاتر (> 30 وات) بوده است. با این حال ، توسعه لیزرهای فایبر نانو ثانیه ای با پالس 50 وات به این معنی است که حتی این بخش در حال حاضر از لیزرهای فیبر استفاده می کند. با نشان دادن رشد استفاده از لیزرهای فیبر در تمام سطوح قدرت در این بخش ، بیش از 10 هزار دستگاه از این دستگاه در سال 2011 توسط یک تامین کننده اصلی فروخته شد.

سابقه سابقه

با پنجاهمین سالگرد اخیر لیزر و از دست دادن مخترع آمریکایی لیزر فیبر ، الیاس اسنیتزر ، شاید مناسب باشد که چرا لیزرهای فیبر دار تفاوت اساسی با سایر انواع لیزر دارند. لیزرهای حالت جامد و لیزرهای فیبر یکی از عناصر کمیاب خاکی را به عنوان محیط فعال برای تولید پرتوهای لیزر به کار می گیرند. عنوان "زمینهای کمیاب" به این دلیل به وجود آمد که در زمان کشف آنها در واقع تصور می شد که آنها کمیاب هستند. اکتشافات اخیر نشان داده است که سنگ معدن این عناصر در بسیاری از نقاط جهان وجود دارد ، اگرچه نگرانی هایی در مورد عرضه وجود دارد زیرا بیشتر ذخایر فعلی در قلمرو چین در مغولستان داخلی رخ می دهد. این عناصر خاکی کمیاب قسمت بالای دو خط را در پایه جدول تناوبی عناصر تشکیل می دهند. این 15 عنصر - کاملاً غیرقابل تلفظ و احتمالاً برای بسیاری از افراد خارج از صنعت لیزر غیرقابل چاپ است - به دلیل شباهت شیمیایی با عنصر لانتانوم به گروهی معروف به لانتانیدها تعلق دارند. عنصر فعال خاکی کمیاب در لیزرهای فیبری که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد ، ایتربیوم است ، نامگذاری شده برای دهکده کوچک سوئدی Ytterby در نزدیکی جایی که رسوبات بزرگی از این سنگ و تعدادی دیگر از سنگ معدن خاکی کمیاب برای اولین بار در آن یافت شد. هنگامی که این عنصر با دقت در هسته لیزر ، فیبر فعال توزیع می شود ، تولید فوتون منسجم می شود (شکل 1).

شکل 1. ساختار اولیه فیبر فعال در لیزر فایبر.

تفاوت بین لیزر فیبر و سایر فناوری های لیزر حالت جامد فضای آزاد به طور گسترده اشتباه درک شده و گاهی اوقات نیز اشتباه ارائه می شود. در لیزر فیبر ، پرتو در واقع در داخل فیبر ایجاد می شود. در فناوری های دیگر ، پرتو در فضای آزاد ایجاد می شود و سپس در یک کابل فیبر نوری فشرده می شود تا به قطعه کار تحویل داده شود.

طول موج برای علامت گذاری لیزری

سالهاست که به خوبی شناخته شده است که در طول موجهای مادون قرمز نزدیک ، بازتاب فلز به میزان قابل توجهی کمتر از طول موجهای انتشار طولانی تر لیزرهای گاز دی اکسید کربن در 10.6 میکرومتر است. دومین مزیت استفاده از طول موجهای کوتاهتر این است که واگرایی پرتو لیزر متناسب با طول موج آن و متناسب معکوس با قطر پرتو است که در معادله زیر خلاصه می شود:

Θ = λ/(فروش)

جایی که λ = واگرایی پرتو ، π = طول موج لیزر و ω = کمر پرتو.

بنابراین ، طول موجهای کوتاهتر ، نقاط متمرکز کوچکتر و در نتیجه ویژگیهای سطحی کوچکتر را امکان پذیر می کند. علیرغم این محدودیت های تمرکز ، لیزرهای گازی مادون قرمز با طول موج بلندتر هنوز موقعیت قوی خود را در صنعت علامت گذاری حفظ می کنند ، زیرا بسیاری از مواد علامت گذاری شده مانند کاغذ و پلیمرهای نازک از جنس نازک به اندازه کافی پرتو لیزر را جذب نمی کنند. این جذب برای ایجاد ویژگی های موضعی روی سطح که برای چشم انسان غیرممکن قابل مشاهده است لازم است.

لیزرهایی که طول موجهای مادون قرمز نزدیک به خود تولید می کنند ، مانند لیزرهای فیبر ، برای علامت گذاری طیف وسیعی از مواد ، چه فلزات و چه غیر فلزات ، استفاده می شوند. در این موارد ، علامت هایی که باید با چشم غیرمستقیم قابل مشاهده باشند یا از طریق مواد برش دهنده و یا از طریق ایجاد لایه های اکسیدی روی سطح و یا از ترکیب هر دو مورد ایجاد می شوند. ممکن است یک علامت خنثی در چشم غیرمسلح بسیار دقیق به نظر برسد ، اما با بزرگنمایی بیشتر می توان شواهدی از فرآیندهای گرمایش و بخار شدن در مقیاس کوچک اما بسیار پویا و پر انرژی را مشاهده کرد. اگرچه بسیاری از این ویژگی ها را نمی توان با چشم غیرمستقیم حل کرد و آنقدر سطحی است که در بیشتر موارد بر عملکرد اجزاء تأثیر نمی گذارد ، لبه های کمی زبر احتمالاً مسئول پراکندگی نور و در نتیجه نمایان ساختن علامت هستند (شکل 2 )

1209ils F1 شکل

شکل 2. فولاد ضد زنگ 304 با لیزر ، 20 کیلوهرتز ، 0.5 میلی متر ، 2 متر بر ثانیه. نقاط ذوب قطر 70 میکرومتر دارند.

بسیاری از پلیمرها همچنین می توانند با القای لیزری با ایجاد طیف وسیعی از اثرات سطحی مانند کف کردن ، کربن شدن و فرسایش مشخص شوند. برای علامت گذاری پلیمرهای رنگ روشن تر ، فیلم های پلیمری نازک یا مواد نیمه هادی مانند سیلیکون در صورت نیاز به ویژگی های کوچک ، حتی جذب بهتر ممکن است لازم باشد - اگرچه دلایل این امر خارج از حوصله این مقاله است ، در برخی موارد لیزرهای طول موج کوتاه تر در طیف مرئی استفاده می شود.

سیستم های علامت گذاری لیزری چه کاری می توانند انجام دهند؟

همه سازندگان سیستم های علامت گذاری لیزری از نرم افزارهای مارک دار بسیار پیچیده مارک لیزری برای کنترل اسکنرهای گالوانومتر که حرکت نسبی بین نقطه لیزر و قطعه کار را ایجاد می کنند ، استفاده می کنند. لیزر و اپتیک در قلب دستگاه هستند ، اما مکانیسم های علامت گذاری سیستم را کنترل می کنند. این علامت ها می توانند ترکیبی تقریباً بی نهایت از شخصیت ها و گرافیک ها ، آرم ها ، الفبای شماره ای سریالی منحصر به فرد یا یکی از تعدادی طرح بارکد متفاوت باشند. توجیهات زیادی برای این امر وجود دارد: قابلیت ردیابی ، ضد جعل ، مواد ، شناسایی دسته ای یا سازنده. عملکرد اصلی همه علائم این است که باید با ماشین یا با چشم غیر مسلح قابل خواندن باشند. سایر الزامات ثانویه ممکن است عبارتند از:

• عملکرد قطعه نباید در طول عمر آن به هیچ وجه به خطر بیفتد - به عنوان مثال ، نباید قطعه را از نظر مکانیکی تضعیف کرده یا باعث خوردگی شود.

• علامت باید تا عمر قطعه باقی بماند. و

• علامت باید از نظر زیبایی زیبا باشد.

پیچیدگی سیستم های علامت گذاری لیزری باعث می شود که فرآیند علامت گذاری بسیار ساده به نظر برسد ، اما نرم افزار علامت گذاری لیزری به روش های مختلفی برای تولید یک علامت بهینه در سطح خاصی اجازه می دهد. طیف وسیعی از سرعتهای اسکن ، همپوشانی خطوط اسکن ، الگوهای اسکن و تاخیرهای لیزری در دسترس است و اپراتورهای مختلف ممکن است از روشهای بسیار متفاوتی برای دستیابی به یک علامت مشابه استفاده کنند. این به ما می گوید که علامت گذاری لیزری هنوز چیزی از "هنر سیاه" است - اگرچه برخی از قوانین کلی را می توان اعمال کرد ، اما مقدار زیادی از علامت گذاری لیزری هنوز بر اساس تجربی است.

مزایای فنی لیزرهای فیبر دار

یکی از مزایای اصلی لیزرهای الیافی دوپ شده با ایتربیوم این است که طول موج 1070 نانومتری نزدیک به مادون قرمز ساطع شده به اندازه کافی با طول موج 1064 نانومتر از لیزرهای گارنت آلومینیوم اتریوم (Nd: YAG) دوپ شده با نئودیمیوم تفاوتی دارد ، زیرا هیچ تفاوتی در طول فرآیند واقعی انجام نمی دهد. علامت گذاری لیزری این باعث جایگزینی نسبتاً آسان لیزرهای Nd: YAG موج پیوسته با لیزرهای فیبر برای اکثر برنامه های علامت گذاری شده است. این موفقیت اولیه صنعت علامت گذاری را در معرض لیزرهای فیبر قرار داد و بسیاری از مزایای اضافی آنها بهتر درک شد. این امر به نوبه خود منجر به کاربردهای پیشرفته تری شد که در آن لیزرهای فیبر می توانستند فناوری لیزر حالت جامد هنوز نسبتاً جدید پمپ شده با دیود را به چالش بکشند.

یکی دیگر از جنبه های لیزرهای فیبری که اغلب مورد قدردانی قرار نمی گیرد این است که کل مسیر نوری لیزر به طور کامل حفظ شده و به صورت هرمتی در فیبرهای نوری با پوشش کامل صفر از بین می رود - هنگام تولید فیبرهای نوری باید اینگونه ساخته شود. مسیر نوری پیوسته با ترکیب همه اجزای نوری مبتنی بر فیبر با استفاده از تکنیک های پیشرفته پیوند فیبر نوری به دست می آید. این رویکرد دارای مزایای عظیمی است و بر خلاف سایر فناوری های لیزر است ، زیرا تا زمانی که پرتو لیزر به سمت نوری متمرکز خارج نشود ، هیچ ناهماهنگی نوری امکان پذیر نیست. یکی دیگر از جنبه های مرتبط این است که در اصل تولید متوسط ​​قدرت بالاتر بسیار ساده است. به سادگی از الیاف فعال تر یا مراحل تقویت کننده فیبر اضافی با دیودهای پمپ بیشتر استفاده می شود. البته ، این مقیاس بندی بدون درک عمیق علم و فناوری لیزرهای فیبر امکان پذیر نیست ، که به نوبه خود منجر به درک دقیق این می شود که اثرات نوری مخرب مانند پراکندگی رامان در کجا رخ می دهد و می توان از آنها اجتناب کرد.

1209 میل 10

نرخ فرسایش با استفاده از لیزر فیبر نانو ثانیه 50 وات برای حفاری ضربه ای فولاد ضد زنگ 304 ضخامت 0.6 میلی متر.

لیزرهای فیبر نانو ثانیه ثابت یا متغیر

از لیزرهای نانو ثانیه ثابت و متغیر برای علامت گذاری لیزری به طور گسترده استفاده شده است ، و سادگی ، استحکام و مقرون به صرفه بودن لیزرهای فیبر با طول پالس ثابت ، همانطور که دیدیم ، نفوذ قابل توجهی در بازار ایجاد کرده است. با این حال ، تعداد محدودی از شرایط وجود دارد که در آن انعطاف پذیری بیشتر یک پالس لیزری کوتاه تر می تواند مزایایی را به همراه داشته باشد. یکی از نمونه های خوب این امر در زمینه علامت گذاری با لیزر ، علامت گذاری اجزای پلی کربنات شفاف است. این مکانیسم نسبت به اکثر مواد دیگر متفاوت است زیرا حبابهای کوچک به اندازه میکرون در زیر سطح مواد ایجاد می شوند و این حباب ها در چشم غیر مسلح سیاه به نظر می رسند. کاهش طول پالس به 30 نانوس همراه با کنترل دقیق سایر پارامترهای علامت گذاری مانند سرعت ، انرژی پالس و فاصله بین خطوط پر ، اجازه می دهد تا این حباب ها در زیر سطح بدون تجمع در ویژگی هایی که سطح اجزا را مختل می کنند ، تولید شوند (تصویر 3)

1209ils F1fig3

شکل 3. علامت زیر سطحی در پلی کربنات. طول حروف 2 میلی متر است.

این روش برای علامت گذاری وسایل پزشکی بسیار مطلوب است زیرا می توان تله های ناخواسته را از بین برد. برخی از فرآیندهای علامت گذاری بسیار تخصصی در استفاده از پالس های حتی کوتاهتر ، به میزان 1.5 نانوس ثانیه ، مزایایی دارد. بار دیگر ، لیزرهای فیبر دارای مزیت قابل توجهی هستند زیرا این پالس های کوتاه و نرخ تکرار پالس بالا بدون به خطر انداختن قدرت متوسط ​​تا حد زیادی قابل دستیابی است. به عنوان مثال ، یک مدل خاص موجود از تأمین کننده پیشرو ، قدرت متوسط ​​18 وات را در 300 کیلوهرتز با پالسهای 1.5 ns (60 μJJ) ، M2 از 1.3 ، و حداکثر قدرت> 40 کیلو وات ارائه می دهد. اگرچه مدت زمان پالس یک متغیر مهم پردازش لیزر است ، اما تنها یکی از عوامل متعددی است که در ایجاد اندازه ویژگی خاص نقش دارد. این ترکیب پارامتر به لیزرهای فیبر مادون قرمز خارج از قفسه اجازه می دهد تا اندازه های مشخصه ای را با اپتیک معمولی تولید کنند که قبلاً با استفاده از لیزرهای حالت جامد پمپاژ دیود پیچیده تر و پرهزینه تر کوتاه مدت قابل دستیابی بوده اند.

توان متوسط ​​بالاتر برای علامت گذاری لیزری چه می کند؟

به دلیل ماهیت پیچیده پدیده های مربوط به علامت گذاری لیزری ، پیش بینی اینکه آیا سرعت علامت گذاری یا عمق علامت گذاری با دو برابر شدن قدرت لیزر دو برابر می شود ، دشوار است. با این حال ، در بیشتر موارد ، لیزر قدرت متوسط ​​بالاتر به کاربران امکان می دهد سریعتر یا عمیق تر ، یا ترکیبی از هر دو را علامت گذاری کنند. برای کاربردهایی که عمق قابل توجهی در علامت مورد نیاز است ، لیزرهای 30 واتی یا حتی 50 واتی بدون هیچ گونه افزایش در ردپا و بدون هیچ گونه مصالحه ای در تمرکز (یا روشنایی) لیزر ساخته شده اند. نتایج نشان داده شده در جدول بالا در طول آزمایش های حفاری ضربه ای با لیزر فیبر 50 وات جمع آوری شد. اگرچه این بهترین مورد ممکن برای حذف مواد است (مکانیزمی که هنگام حکاکی عمیق فلزات مشاهده می شود) ، میزان حذف تا 5 میلی متر مکعب بر ثانیه اندازه گیری شده است. لازم به ذکر است که استفاده از لیزر با قدرت متوسط ​​بالاتر مستقیماً به ورودی گرمای بیشتری به قطعه تبدیل می شود و اعوجاج بر روی اجزای نازک ممکن است قدرت متوسط ​​مورد استفاده را محدود کند. وقتی عمق علامت بیش از 100 میکرومتر باشد ، این علائم حتی پس از سوء استفاده جدی از سطوح فلزی ، خوانایی خود را حفظ می کنند. این ممکن است "دستکاری آشکار" تلقی شود زیرا مقدار قابل توجهی از مواد مجاور باید حذف شوند تا علامت ناخوانا شود.

لیزرهای میانی با طول موج مادون قرمز

تعدادی دیگر از عناصر خاکی کمیاب از همان گروه لانتانیدها وجود دارد که ایتربیوم در آنها اقامت دارد که به عنوان رسانه فعال در لیزرهای حالت جامد برای تولید طول موج جایگزین استفاده شده است. هولمیوم (Ho ،) اربیوم (Er) و تولیوم (Tm) همگی در جدول تناوبی در مجاورت یکدیگر قرار دارند و همه اینها چند سالی است که در لیزرهای فیبر دار برای کاربردهای مختلف لیزر غیر صنعتی مانند جراحی لیزر استفاده می شود. ، تا حد زیادی به دلیل جذب زیاد این طول موج توسط H2O است. لیزرهای الیاف تولیوم که پرتوهای طول موج بلندتری را ساطع می کنند (در منطقه طیفی 1900-2010 نانومتر) در حال حاضر در سطوح بسیار بالا (> 100 وات) برای فرآیندهای ذوب مانند جوش پلیمری به دلیل جذب حجمی بیشتر آنها در پلیمرهای پر نشده توسعه یافته اند. این لیزرها هنوز در سطوح قدرت در حالت نانو ثانیه پالس در دسترس نیستند تا مورد توجه صنعت علامت گذاری لیزری باشند ، اما در آینده نه چندان دور در دسترس خواهند بود.

خلاصه

این یک جهش تکنولوژیکی است از استفاده از کابل های فیبر نوری برای هدایت پرتوهای لیزری نزدیک به مادون قرمز ، تا ایجاد و هدایت پرتو با استفاده از تمام فیبرهای نوری - اما مزایای ترکیب این توابع اکنون برای همه آشکار است. همانطور که اخیراً یکی از تولیدکنندگان معروف سیستم های علامت گذاری لیزری به من گفت: "دلیل اینکه ما این لیزرها را دوست داریم ساده است ؛ آنها را از جعبه بیرون می آوریم ، آنها را به برق وصل می کنیم ، سیستم را آزمایش می کنیم ، آن را مستقیماً از درب خارج می کنیم. ، و ما دیگر هرگز آنها را نمی بینیم. " دیگه چی میشه گفت!