-1960 年代中期以来、レーザーはマーク作成、エッチング、切断に使用されてきました。 世界初のレーザーマーキングマシンは 1965 年に将来のダイヤモンド製造用の金型の穴あけを目的として開発され、その後この技術は急速に発展しました。
早期の導入マーキング用CO2レーザーは 1967 年に発生し、この技術は現代の CO2 レーザー システムの商品化を通じて、-1970 年代中期に成熟に達しました。 それ以来、レーザー マーキング システムは、航空宇宙から医療機器製造、製薬、小売までの幅広い業界で主力となっています。
レーザーは、インクジェット印刷などの他の技術と競合しているにもかかわらず、強力で低コストで再現性のあるマーク作成技術として定評があります。 重要なのは、このプロセスは環境に優しく、消耗品 (インク、カートリッジ、紙など) を必要としないことです。 現在、レーザーマーキングシステムはもはや CO2 レーザーのみに依存しているわけではありません。 ファイバーレーザーや Nd:YAG 固体光源など、設置面積が小さく、メンテナンスコストが低く、効率的な代替手段を提供するものもあります。 そして技術力の進歩は明らかです。 現在、最速の商用レーザーマーキングマシンは、1 時間あたり数万個の部品を処理できます。
レーザーマーキング技術の進化は急速ですが、レーザーマーキングシステムのメーカーとユーザーは現在、新たな課題に対処し、処理結果を向上させるためにマーキング技術の限界を押し上げる新たな道を模索しています。
セラミック回路のレーザーマーキング
これらの課題は、加工される新しい材料や提供される新しいアプリケーションから生じており、それぞれがレーザー システム開発の市場を形成しながら成長とイノベーションの必要性を推進しています。
例えば、セラミックスはレーザー加工において最も急速に成長している材料の 1 つであり、この材料は半導体部品や回路基板の製造において特に重要です。 「すべての電子システム製品の母」と呼ばれることが多いプリント基板 (PCB) は、ほぼすべての電子製品で使用されるコンポーネントであり、PCB 開発における小さな変化は市場動向に大きな影響を与えます。
近年、FP4 などのプラスチック エポキシ樹脂から作られる従来のプリント基板 (PCB) でのセラミックスの使用に焦点が移ってきています。 セラミック回路基板は優れた熱処理性を備え、実装が容易で、非セラミック PCB と比較して優れた性能を発揮します。 ただし、スクリーン処理などの多くのマーキング技術はセラミックには適していません。 セラミックのインクマーキングは面倒で、いくつかの消耗品が必要で、耐摩耗性もありません。 セラミックは脆くて硬いため、マーキングがより困難な材料の 1 つでもあります。
その結果、レーザーはインク印刷技術の代替として近年注目を集めており、多くのレーザー会社は従来の CO2 レーザーだけでなく、ダイオード励起固体 UV レーザーなど、特にセラミックマーキングに適したシステムを開発しています。レーザー。
「これには小型化の傾向も含まれます」とレーザーマーキング会社のディレクター、アンドリュー・メイ氏は言う。 しかし、新しい市場トレンドの導入にも時間がかかることを彼は強調し、「毎週新しい用途があるでしょうか？いいえ。しかし、15 年前、私たちはミニチュアセラミックにマークを付けることはありませんでした。そして今はそうしています。」
より柔軟な素材、形状、サイズ
しかし、急速な成長にもかかわらず、エレクトロニクス分野のセラミックマーキングは現在、レーザーマーキング会社にとって最大の市場ではありません。 アンドリュー・メイ氏は、「当社にとって最大の産業は医療機器で、次に自動車、エレクトロニクス、一般エンジニアリング部品が続く。必要とされる製品の範囲は、業界や当該産業によって大きく異なる」と述べた。
同社は 8 台のレーザー システム (そのうち 5 台は Galv 駆動) を備えており、さまざまな用途にマーキング サービスを提供しています。 このため、また同社は常にオーダーメイドの要件を備えた新規顧客を獲得しているため、メイ氏は柔軟な能力が不可欠であると強調します。 その結果、さまざまな材料、形状、サイズ、およびさまざまなバッチサイズのマーキングに適したレーザーが使用されます。 同社が提供できるマーカーの範囲も顧客ベースと同じくらい多様で、そのレーザーはコードからグラフィックス、データマトリックスに至るまであらゆるものを高速かつ高い再現性で生成できます。
したがって、この柔軟性に対応することは、次のようなレーザーマーキングマシンメーカーにとって必要不可欠です。ブルーム・システム.
部品のトレーサビリティに対する需要が高まっている
レーザーマーキングの分野におけるもう 1 つの重要な傾向は、表面上の固有の識別マークによる製品の個々の識別であるトレーサビリティの保証と改良です。 このマーキングにはさまざまな形式がありますが、二次元コード (QR コード) などのデータ マトリックスの使用がますます一般的かつ重要になっています。
個々の製品を独自のデータ マトリックス コードでマークすることにより、製造元、バッチ番号、寿命などの重要な詳細を非侵入的な方法で簡単に識別できます。 これにより品質が保証され、消費者とユーザーは製品の正確な産地を判断できます。 この品質保証により、消費者と製造業者の間に直接的なつながりが生まれ、製品に付加価値が与えられ、低コストの製造と競争できるようになります。 レーザーはその驚異的な精度により、サイズが 200 μm 程度の詳細なコードを書き込むのに最適です。小さすぎて通り過ぎる人には見えませんが、自分の位置を知っている人であればスマートフォンで簡単に確認できます。 このようなサイズでは、データ マトリックスを偽造防止の目的で使用できるため、非侵入的な方法で高品質の商品の真正性を簡単にチェックできます。 これは、錠剤などの医薬品が不正に製造および流通されないようにする方法であるため、製薬業界に多大な影響を与えます。
部品のトレーサビリティは、訴訟の証拠として使用される場合にも重要な役割を果たします。 たとえば、誰かが医療移植を受けてその移植が失敗した場合、トレーサビリティによって、何が間違ったのか、どこで間違ったのか、どのバッチで間違ったのかを正確に知ることができます。 これにより、製品のリコールなどの効率が確実に向上しますが、顧客の自主性も高まります。 明白ではないかもしれませんが、社会の訴訟への関心が高まるにつれて、訴訟の判決を向上させるテクノロジーも追いつく必要があります。
トレーサビリティは、環境の持続可能性の向上と環境への影響の削減という、製造業全体の別の傾向にも貢献します。 製品を追跡していつ故障したのか、あるいは製品がいつライフサイクルの終わりに達したかを知ることで、メーカーは積極的に交換やリサイクルを行うことができるようになります。 これは、意図したとおりに製品を改修のために返品できることも意味し、最終的に埋め立てられる機器が少なくなる可能性があります。
しかし、現在のデータ マトリックス ラベリング システムは多くの課題に直面しています。 特定の材料、特にガラスやポリマー、薄い金属や箔などは取り扱いをより困難にします。 また、マーキングは永続的かつ安定している必要があり、システムは幅広い製品サイズに対応できなければなりません。
一部のレーザーマーキングマシンにとって特に課題となるのは、非平面へのマーキングです。 この分野では、インクジェット プリンタの数が依然としてレーザーベースのシステムを上回っています。 そのため、システム エンジニアはこれらの課題を克服するために取り組んでいます。 たとえば、レーザーマーキングシステムの一部のメーカーは、平均出力が 20-500 W でサイクルタイムが異なる CO2 レーザーとファイバーレーザーを提供しており、3D 表面で使用するための自動調整集束光学系を備えており、表面の曲率に合わせて調整できます。オブジェクト。 未知の形状を持つ表面を考慮するために、システムは最初に 3D 表面をスキャンし、次にマーキング プロセス中にレーザーの焦点を調整するオートフォーカス ビジョン システムを使用します。
ただし、レーザーマーキングシステムのメーカーが直面している課題は、非平坦な表面だけではありません。 レーザーマーキングソリューションメーカーの最高経営責任者（CEO）であるフロラン・ティボー博士は、「多くの場合、インクジェットなどの世界的に標準化されたマーキングソリューションは、各製品に特定のマークを提供するために必要な要件を満たすことができません。現在、 、通常のレーザーの使用は、ペンを使用するのと同じように、継続的な方法としてすでに利用可能です。しかし、これでは十分な速度が得られません。生産量と精度のバランスをとるソリューションを見つける必要があります。」
レーザーマーキングは製品ごとに変更する必要があるため、シーケンシャルマーキングは影響を受けます。そのため、各製品に適応できるマーキング技術を持つことが重要です。 メーカーは、マーキングが適応し、マーキング率が高くなければならないなど、非常に高いスループットを要求しますが、これにはガラスやポリマーなどの特定の材料の加工の難しささえ考慮されていません。
この問題を解決するために、あるレーザー マーキング ソリューション メーカーは、自社の VULQ1 テクノロジーの特許を取得しました。このテクノロジーは、今年の Laser World Photonics Industrial Production Engineering で Laser Systems Innovation Award を受賞しました。このテクノロジーは、1 つの連続光ビームの使用を選択しません (従来のマーキングシステムの場合）。 代わりに、何百もの光線を使用してスタンプのような効果を生み出し、データ マトリックス コード全体を瞬時に生成します。 このユニークなスタンプを生成するために使用される方法は、動的ビーム整形です。これは、ショットごとに調整してユニークな構造のビームを作成できる空間光変調器 (SLM) などのコンポーネントを使用して実現されます。
他のレーザーマーキング技術では、高スループットのために高い繰り返し率が優先される場合がありますが、この技術はより良い結果を得るためにより高いパルスエネルギーと並列処理を使用します。
Thibaut 氏は、「このスタンプのようなマーキング スキームは、2D バーコード マーキングの生産性の大きな可能性を解き放ち、実装も簡単です。」と述べています。
たとえば、その技術を使用すると、PVC 医療部品に 570-μm 幅のデータ マトリックス コードを 1 時間あたり 77,000 の速度でマークすることができます。 システムがマークできるその他の素材には、HDPE ポリマーでコーティングされたアルミニウムなどがあります。 ソーダライムガラス。 ホウケイ酸ガラス、純金、エポキシ成形複合材。
Thibault 氏は、「すべてのドットが同時にマーキングされるため、直線でマーキングする場合でも、完全に鮮明な可読性を維持しながら、パターン サイズを 100 μm まで小さくすることができます。」と付け加えました。 さらに、この技術は高い繰り返し周波数に依存する必要がないため、約 20-30 Hz の繰り返し周波数を持つ既製の赤外線および緑色 Nd: YAG レーザーを使用してシステムを構築でき、そのシステムは可能な限り費用対効果を維持します。
超高速レーザーでガラスをデータストレージに変える
レーザーマーキングのもう 1 つのエキサイティングな新しい分野は、データストレージです。 研究者らは、超高速レーザーを使用してデータをガラス/クリスタルメディアにエンコードすることで、効率的なデータストレージシステムを構築できると主張しています。 データはマイクロアブレーションの形でガラス/クリスタルに保存され、一度作成されると驚くほど長期間保存できます。
2013年に、日立は初の水晶データストレージシステムを発表し、2014年にはサウサンプトン大学のオプトエレクトロニクス研究センター（ORC）の研究者らがフェムト秒レーザーエッチングガラスシステムの開発を発表した。 ORC は、「Project Silica」で Microsoft Research との協力を開始しました ORC は、ZB スケールのストレージ システムを開発し、「大容量ストレージ システムの構築方法を根本的に再考する」ことを約束する「Project Silica」で Microsoft Research との協力を開始しました。
ただし、ガラスに書き込むのは簡単な作業ではなく、標準的なパルス UV または CO2 レーザー システムでは微小亀裂が生じる可能性があり、材料表面の過度の加熱は熱ホット スポットでの損傷につながる可能性があります。 これはパルスエネルギーを減らすことで回避できますが、高精度が必要な場合には理想的ではありません。 研究者が熱損傷のリスクを最小限に抑えるために超高速（フェムト秒）レーザー システムに注目しているのはこのためです。 高エネルギーパルスの持続時間が非常に短いため、材料に十分なエネルギーが確実に供給され、非常に正確にマークが付けられ、熱影響を受けるゾーンが最小限に抑えられ、微小亀裂が回避されます。
このテクノロジーの現在の制限は、データ書き込み速度が非常に遅いことであり、Tb 規模のデータの書き込みが完了するまでに数年かかる場合があります。 ありがたいことに、現在進行中のブレークスルーにより、データ書き込み速度を向上させる方法が提案されています。 昨年、ORC の研究者は、エネルギー効率の高いレーザー書き込み方法を Optica 誌に発表しました。この方法は速いだけでなく、CD サイズのシリカ ディスクに約 500 Tb のデータを保存できます。CD は 10 枚です。000 Blu-ray ディスク ストレージ テクノロジーの 1 倍の密度を誇ります。
研究者の新しい方法では、繰り返し周波数10 MHz、パルス幅250 fsの515 nmファイバーレーザーを使用して、シリカガラスに小さなピットを作成します。このピットには、わずか500×50 nmの個々のナノ層構造が含まれています。 これらの高密度ナノ構造は、長期の光データ保存に使用できます。 研究者らは、1,000,000 ボクセル/秒の書き込み速度を達成しました。これは、1 秒あたり約 225 KB のデータ (100 ページ以上のテキスト) を記録するのに相当します。
新しい方法を使用して、従来の CD-ROM と同じサイズのシリコン ガラス ディスクに 5GB のテキスト データをほぼ 100% の読み取り精度で書き込みました。 各ボクセルには 4 ビットの情報が含まれており、2 ボクセルごとに 1 つのテキスト文字に対応します。 この方法によって提供される書き込み密度を使用すると、ディスクは 500 Tb のデータを保持できます。 並列書き込み用にシステムをアップグレードすることで、これだけの量のデータを約 60 日で書き込むことが可能になるはずだと研究者らは述べた。
