Znakowarki laserowe coraz częściej znajdują zastosowanie w przemyśle. Wykorzystuje się je w branżach, w których niezbędne jest brandowanie, etykietowanie czy numerowanie produktów, czyli trwałe zachowywanie treści na różnorodnych materiałach. Obecnie najczęściej stosuje się znakowarki laserowe do trwałego nanoszenia znaków alfanumerycznych, kodów Datamatrix czy też logotypów na elementach metalowych i tworzywach sztucznych.

Znakowanie laserowe polega właśnie na nanoszeniu znaków na powierzchnię przedmiotów za pomocą wiązki lasera, która powoduje usunięcie cienkiej warstwy materiału ze znakowanego produktu lub modyfikację jej zabarwienia dzięki zmianom termofizycznym lub termochemicznym w materiale. Wykorzystuje się do tego takie metody jak grawerowanie, wyżarzanie, odbarwianie, ablacja i spienianie – w zależności od rodzaju materiału i wymogów. Każda z nich ma swoje wady i zalety.
Technologii znakowania laserowego używa się m.in. w przemyśle motoryzacyjnym (przyciski, złącza, obudowy, uchwyty), lotniczym, spożywczym (butelki, folie, opakowania) medycznym, elektronicznym (klawiatury, telefony komórkowe, kondensatory, płytki drukowane), chemicznym, zbrojeniowym, a także w metalurgii i przetwórstwie tworzyw sztucznych. Bardzo duży rynek rozwiązań do znakowania laserowego tworzą firmy z branży reklamowej, które muszą personalizować i ozdabiać oferowane przez siebie produkty.

Znakowanie wykorzystuje się jednak do identyfikacji detali nie tylko w procesie produkcyjnym, ale też późniejszej fazie rynkowego obrotu towarami: – Identyfikacja pozwala firmom na pełną kontrolę cyklu życia produktu, jak również w dużym stopniu upraszcza procedury obsługi zgłoszeń reklamacyjnych.

Każdy typ materiału

Laserami mogą znakować praktycznie wszystkie materiały, bez względu na ich kształt, budowę i złożoność powierzchni. W zależności od typu lasera możemy znakować materiały naturalne, jak drewno, papier czy skóra, a także takie materiały jak metal, tworzywa sztuczne i inne – o różnej twardości, konsystencji i kształcie. Jednocześnie należy jednak mieć na uwadze, że tworzywa sztuczne są stosunkowo trudnym materiałem do znakowania. Drobna zmiana mieszanki, z której są wykonywane, może w istotny sposób wpłynąć na efekty znakowania. Do tego typu materiałów stosuje się, oprócz standardowych urządzeń typu YAG i laserów światłowodowych, maszyny typu UV i lasery typu Green. Wyjątkiem od powyższej reguły jest kamień. W tym wypadku proces ten nie przynosi pożądanych efektów. Należy jednak zauważyć, że ze względu na szeroki wybór zakresów długości fali, trybów pracy i mocy źródeł laserowych dobór najbardziej optymalnej w danych warunkach technologii znakowania powinien być poprzedzony przeprowadzeniem wstępnych testów obróbki danego detalu z wykorzystaniem różnych urządzeń i parametrów procesowych.

Z technologicznego punktu widzenia możliwe jest znakowanie dowolnego materiału w stałym stanie skupienia. Pierwszym czynnikiem, który określa interakcję promieniowania laserowego z materią, jest absorpcja, tj. współczynnik, który definiuje, jaka część energii zostanie efektywnie wykorzystana w procesie. Materiały pochodzenia organicznego, półprzewodniki oraz dielektryki, w tym tworzywa, wykazują absorpcją w zakresie ultrafioletu UV. Najbardziej popularnym rozwiązaniem są tu lasery molekularne CO2 (10,6 µm), lasery na ciele stałym (Yb:szkło, Nd:YAG, Nd:YVO4) z generacją wyższych harmonicznych (głównie THG) lub też wydajne w zakresie UV lasery ekscymerowe. Metale zaś i ich stopy w zależności od typu absorbują, mówiąc w dużym uproszczeniu, tym lepiej, im krótsza jest długość fali promieniowania laserowego. Tu dominującym rozwiązaniem są lasery ma ciele stałym (w tym światłowodowe) pracujące na fundamentalnej długości fali – ok. 1,06 µm lub harmonicznych 532, 355 lub 266 nm.

Wszechstronne zastosowanie

Najczęściej wykorzystywanym do znakowania jest laser hybrydowy (DPSS). Stanowi on połączenie dwóch typów technologii: lasera typu fiber oraz Nd:YAG. – Wykorzystując najlepsze cechy tych dwóch typów źródeł laserowych, z laserów typu fiber zaczerpnięto konstrukcję źródła, dzięki czemu uzyskano wysoką żywotność diody pompującej, jak i wysoką wydajność energetyczną umożliwiającą znakowanie na metalach. Kolejnymi zaletami zastosowania źródła lasera DPSS są wysoka moc szczytowa (nawet 15-krotnie większa niż w przypadku laserów światłowodowych) oraz krótkie impulsy, dzięki czemu występuje niewielkie nagrzewanie znakowanych elementów – uzasadnia Błaszczyk. Urządzenia do znakowania laserowego wykorzystywane są do nanoszenia trwałych oznaczeń w postaci znaków alfanumerycznych, kodów i grafiki o stałej lub zmiennej zawartości na wszelkiego rodzaju materiałach występujących w przemyśle i technice opakowań.

Istotne jest, że ze względu na szybkość „laserowego drukowania”, wynoszącą kilka tysięcy znaków na sekundę, oznaczenia mogą być wykonywane na obiektach poruszających się na liniach produkcyjnych bez konieczności ich zatrzymywania. Tradycyjne zastosowania do stacjonarnego znakowania wyrobów przemysłowych, w szczególności narzędzi, części maszyn i komponentów elektronicznych, zostały dziś zdominowane przez liczne aplikacje do oznaczania wszelkiego rodzaju opakowań w farmacji, przemyśle spożywczym, kosmetycznym i innych.

Nowoczesne znakowarki laserowe są dziś powszechnie wykorzystywane zarówno w przemyśle, jak i na rynku usługowym, dlatego bardzo trudno jest wskazać główne zastosowanie tej technologii. Obecnie znakowarki ze źródłem fiber są najczęściej stosowane do bardzo szybkiego znakowania metali, od długopisów i gadżetów w agencjach reklamowych, biżuterii w jubilerstwie, tabliczek znamionowych, opisowych i oznakowań w przemyśle po zautomatyzowane znakowanie produktów „w locie” na liniach produkcyjnych. Znakowarki fiber skutecznie wypierają z zastosowań przemysłowych znakowarki mechaniczne i mikroudarowe.

Rozległy obszar wykorzystania technologii znakowania laserowego wynika właśnie z jej unikatowych właściwości. Znakowanie laserowe to bezdotykowa, selektywna modyfikacja powierzchni materiału. Metoda ta charakteryzuje się bardzo wysoką rozdzielczością sięgającą mikrometrów, trwałością (odpornością na ścieralność i zmywalność) oraz wydajnością. Z uwagi na brak konieczności stosowania odczynników chemicznych w trakcie procesu uważana jest również za technikę czystą i ekologiczną. W zależności od parametrów procesu oraz właściwości materiału modyfikacja może dotyczyć jedynie zmiany własności fizykochemicznych warstwy wierzchniej, co pozwala na uzyskanie kontrastowego wybarwienia, lub też modyfikacji geometrii powierzchni – grawerowania w procesach ablacji materiałów jednorodnych oraz wielowarstwowych (np. laminatów) powlekanych farbą, anodowanych bądź platerowanych.

Długa lista zalet

Główne korzyści z wykorzystania znakowarek laserowych to przede wszystkim wysoka jakość i estetyka znakowania. Trzeba też uwzględnić same możliwości takich urządzeń. Pozwalają na proste definiowanie zawartości znakowania, programowanie cyklu pracy znakowarek oraz na ich integrację z już istniejącymi liniami i maszynami produkcyjnymi. Zaletą tych urządzeń jest ich wszechstronność, jeśli chodzi o rodzaje znakowanych materiałów oraz sposób znakowania. Przy ustaleniu odpowiednich parametrów można uzyskać kontrastowe znaki na powierzchni detalu, nie ingerując w jego strukturę, a przy innych parametrach – głębokie grawerowanie.

Ważne jest również, że najpopularniejsze technologie laserowe są coraz tańsze, a tym samym dostępne dla coraz większej grupy potencjalnych klientów. Oczywiście przy wyborze rozwiązania do znakowania laserowego należy brać pod uwagę względy bezpieczeństwa i tak planować produkcję, by wyeliminować wszelkie zagrożenia wynikające z możliwości bezpośredniego kontaktu operatora z wiązką lasera. Wśród innych zalet urządzeń laserowych można wskazać wysoką jakość znakowania, trwałość, powtarzalność, prędkość znakowania i wielofunkcyjność rozwiązania. Ważną kwestią są także koszty eksploatacyjne wybranego rozwiązania. W przypadku zastosowania znakowarek laserowych koszty bezpośredniego naniesienia oznaczeń na produkty mogą być nawet sto razy niższe niż koszty zastosowania etykiet (kalkulacja uwzględnia koszt urządzenia znakującego).

W przeciwieństwie do innych metod znakowania technologie laserowe oferują możliwość nanoszenia trwałych znaków o dużym kontraście bez uszkadzania powierzchni detalu. Elastyczność systemów laserowych pozwala łączyć takie zalety jak wysoka jakość i powtarzalność znakowania z możliwością nanoszenia dowolnych kształtów i szybkiej modyfikacji parametrów procesowych. Bezobsługowa praca związana z brakiem konieczności uzupełniania zużywających się mediów to podstawowa cecha decydująca o popularności znakowarek laserowych. Dodatkowo nowoczesne znakowarki są wyposażane w systemy przygotowane do pracy w cyfrowym środowisku fabryki autonomicznej. Na korzyść tych urządzeń bez wątpienia najbardziej przemawia nieporównywalna z żadną inną metodą szybkość i jakość znakowania bezdotykowego. Znakowarka jest także praktycznie bezobsługowa pod kątem serwisowym i bardzo prosta w obsłudze. To grupa urządzeń, którą w bardzo łatwy sposób można integrować z innymi urządzeniami lub jako część linii produkcyjnej.

Oprócz wysokiej rozdzielczości i wydajności znakowarki laserowe charakteryzują się kilkoma unikatowymi cechami wyróżniającymi je na tle konkurencji: brakiem konieczności przygotowywania jakichkolwiek klisz lub matryc, bezdotykową naturą procesu oraz bardzo wysoką trwałością systemu sięgającą nawet setek tysięcy godzin.  Obecne źródła laserowe w wyniku szeregu optymalizacji po stronie konstrukcyjnej, jak i wzrostu żywotności zastosowanych komponentów (np. laserów półprzewodnikowych wykorzystywanych jako pompy laserów na ciele stałym) charakteryzują się o rząd wielkości wyższą trwałością od swoich poprzedników z ubiegłej dekady. Urządzenia te pozwalają na znakowanie w trudno dostępnych miejscach, znakowanie przedmiotów elastycznych, nie wymagają unieruchamiania przedmiotu i pozwalają na łatwą integrację z liniami produkcyjnymi. Z uwagi na bezdotykowość umożliwiają również higieniczne znakowanie w branży medycznej oraz spożywczej.

Technologia w rozwoju

Na przestrzeni ostatnich lat obserwowaliśmy dynamiczny rozwój technologii światłowodowej, która obecnie wypiera z rynku lasery na ciele stałym. Bardzo widoczny stał się również podział dostępnych urządzeń na profesjonalne, radzące sobie w trudnych warunkach przemysłowych, zazwyczaj pracujące na trzy zmiany, jak i te dostępne za niewielkie pieniądze, głównie z Chin. O ile w drugiej grupie urządzeń możemy obserwować głównie spadek ceny, o tyle w przypadku systemów przemysłowych jesteśmy świadkami ogromnych zmian. Najbardziej widoczne są w dwóch kluczowych dla technologii znakowania parametrach: mocy urządzenia oraz dostępnego pola pracy. Ogromny postęp nastąpił także w zwiększeniu pola pracy: z dostępnych na początku dziesięciolecia 10 x 10 cm obecnie można spotkać aż 200 x 200 cm. Znaczny wzrost oferowanej mocy i wielkości pola pracy jest podyktowany przez klientów, którzy chcą pracować szybciej i wydajniej, i w tym kierunku technologia będzie rozwijała się dalej.

Technologia grawerowania, znakowania i kodowania laserem rozwija się w kilku obszarach. Pierwszy to skanowanie wiązką laserową. Sprowadza się do osiągania coraz większych szybkości z jednocześnie coraz lepiej dopasowanymi do potrzeb użytkownika sekwencjami sterującymi. Drugi obszar dotyczy źródeł promieniowania laserowego. Dzisiaj stosowanych jest wiele laserów różniących się długościami fali emitowanego promieniowania, mocą, długością trwania impulsu, zakresem częstotliwości i wieloma innymi parametrami. To wreszcie konstrukcja samych urządzeń, uwzględniająca różne konfiguracje optyczne i mechaniczne, wymagania instalacyjne oraz normy bezpieczeństwa. Stosunkowo nowym trendem rozwojowym jest uwzględnianie wymagań środowiska IoT oraz przygotowanie do działania w warunkach określanych jako Industry 4.0.

Nowością w tej branży jest stopniowe wprowadzanie znakowarek laserowych 3D i wyjście poza znakowanie wyłącznie powierzchni płaskich. 3D oznacza w tym przypadku połączenie odpowiedniego oprogramowania sterującego zautomatyzowanym ruchem głowicy znakowarki. Po wprowadzeniu do oprogramowania modelu 3D w formacie STL jesteśmy w stanie wykonać bardzo precyzyjne znakowanie powierzchni wklęsłych, wypukłych, pochyłych itp. na podstawie właśnie modelu STL. Nową możliwością jest także głęboki grawer obiektów 2,5D. Po wprowadzeniu modelu STL można sprawnie wypalić laserem formę stalową np. medalu czy monety o głębokości nawet kilku milimetrów z doskonałą jakością i odwzorowaniem szczegółów będących poza zasięgiem wielu frezarek CNC. W przypadku lasera nie jesteśmy ograniczeni średnicą, kształtem i długością roboczą narzędzi.