علامت گذاری و حکاکی لیزری
علامت گذاری لیزری (Laser Marking) و حکاکی لیزری(Laser Engraving) یک روش رایج برای برچسب زدن و حک کردن نوشته‌ها یا شکل های مشخصی روی انواع مختلف اشیاء با استفاده از لیزر است. علامت گذاری لیزری در صنعت پردازش مواد لیزری مفهوم عام دارد و می‌توان حکاکی را یک زیرمجموعه آن دانست اما معمولا در عموم مردم حکاکی لیزری رایج تر است. اصل علامت‌گذاری لیزری این است که پرتو لیزر خواص نوری سطحی را که با آن برخورد می کند تغییر می دهد یا مقدار کمی از ماده روی سطح را جدا می‌کند که در بخش پردازش تزریقی لیزری دسته بندی می‌شود. فرآیندهای علامت گذاری و حکاکی لیزری از گروه خاصی از روش های پرکاربرد پردازش مواد لیزری هستند.
علامت گذاری لیزری کاربردهای بسیار متنوعی دارد که طی چندین دهه توسعه یافته است. بسیاری از محصولات صنعتی مانند ماشین ابزار، بردهای مدار چاپی (PCB)، مدارهای مجتمع، کابل‌ها، دکمه‌های صفحه کلید، کارت‌های اعتباری، بسته‌های مواد غذایی و بطری‌ها باید به برچسب‌های خاصی مانند شماره مدل و سریال، آرم و بارکد مجهز شوند. جزئیات این برچسب ها معمولا متغیر است مانند تاریخ یا شماره سریال، لذا علامت گذاری و حکاکی لیزری این مشکل روش‌های سنتی را با دقت و سرعت بالایی برطرف می‌کند. علاوه بر این حکاکی لیزری با توجه به سرعت در تولید محصولت و کیفیت مطلوب در صنایع تزیینی از ساختمان سازی گرفته تا جعبه های کادویی نیز کاربرد متنوع و گسترده ای پیدا کرده است.
بگذارید کمی جسورانه تر کاربردهای کدگذاری و حکاکی لیزری را بررسی کنیم. در بسیاری از صنایع مهم اغلب برای کنترل کیفی نیاز به افزودن اطلاعات قابل ردیابی است. برای مثال، ویفرهای سیلیکونی که برای سلول‌های فتوولتائیک یا وسایل الکترونیکی استفاده می‌شوند، ممکن است مجهز به نشان‌گری باشند که از کجا بریده شده‌اند و یا در هر لحظه در چه موقعیتی قرار گرفته‌اند. به این ترتیب می توان مشکلات احتمالی را ردیابی کرد تا سریعتر شناسایی و حل شوند.
در مقایسه با سایر فناوری‌های مارک‌گذاری مانند چاپ جوهر افشان و مارک‌گذاری مکانیکی، مارک لیزری و حکاکی لیزری دارای مزایای متعددی است. سرعت پردازش بسیار بالا، هزینه عملیات کم (عدم استفاده از مواد مصرفی)، کیفیت بالا و ماندگاری نتایج، جلوگیری از آلودگی، قابلیت نوشتن ویژگی های بسیار کوچک و انعطاف پذیری بسیار بالا در اتوماسیون همگی از ویژگی های بارز لیزر در علامت گذاری و حکاکی است. با این حال، اگرچه اغلب ماشین آلات لیزری نسبتاً گران قیمت هستند اما مزایای بسیار زیادی به دنبال دارد که این هزینه‌ها را در مدت کوتاهی جبران خواهد کرد
مکانیسم های مورد استفاده در علامت گذاری لیزری و حکاکی لیزری
برای علامت گذاری و حکاکی سطوح می توان از مکانیسم های مختلفی استفاده کرد. با توجه به جنس ماده می توان حکاکی لیزری و علامت گذاری لیزری رابه گروه های زیر تقسیم کرد:
- حکاکی لیزری: می‌توان از لیزر برای جدا کردن یک لایه از سطح که از جنس خود ماده است (اغلب با عمق کمتر از 100 میکرومتر) استفاده کرد.
- از بین بردن لایه های سطحی: ظاهر یک سطح را می توان با برداشتن لایه سطحی که از جنس ماده اصلی نیست تغییر داد. این لایه می‌تواند یک لایه اکسید فلزی یا یک پوشش رنگ باشد.
- اصلاح سطح: راه های زیادی برای اصلاح سطح وجود دارد که ظاهر بصری آن تغییر کند. یک سطح فلزی می تواند با تشکیل لایه نازک اکسیدی که در اثر حرارت دادن سطح توسط لیزر برای مدت کوتاهی ایجاد می شود، ظاهر رنگی پیدا کند. افزودنی‌های لیزر صنعتی وجود دارند که می‌توانند در اثر تابش لیزر و درنتیجه تغییرات شیمیایی و فیزیکی تغییر رنگ و یا تغییر حجم دهند. بسیاری از پلیمرها در اثر تابش لیزر با تولید کربن (سوختن جزئی) سیاه می شوند. اثرات مشابه روی کاغذ، مقوا و چوب نیز رخ می دهد. بسیاری از پلیمرها نیز بر اثر حرارت لیزر منبسط می شوند و سپس ظاهر سبک تری پیدا می کنند.
علاوه بر موارد بالا، برخی از روش های علامت گذاری وجود دارد که در حجم یک ماده شفاف کار می‌کنند. برای مثال، می‌توان با استفاده از پالس‌های لیزری با فوکوس دقیق، نقاط ریز را در یک لیوان ایجاد کرد. عموما در مواد شفاف با پالس‌های توان بالا و فوق سریع پدیده‌های غیر خطی مانند خودکانونی شدن رخ می‌دهد که در بلورهای فوتونیکی و موجبرهای نوری بسیار کاربرد دارد.
ویژگی‌های لیزر مورد نیاز برای علامت گذاری و حکاکی
ویژگی‌های پرتو لیزر در لیزر مارکینگ با توجه به ماده مورد نظر باید مشخص شود. طول موج لیزر باید به گونه ای باشد که جذب کافی در ماده مشخص شده حاصل شود. توجه داشته باشید که افزایش شدید جذب در طول پردازش (جذب غیرعادی) به طور معمول نمی تواند در علامت گذاری لیزری استفاده شود چرا که موجب تخریب و سوختن ماده می‌شود. با توجه به ویژگی‌های فیزیکی ماده مانند ضخامت و جنس آن، شدت پیک نوری معینی باید روی قطعه کار حاصل شود. فرآیندهای علامت گذاری، اغلب آستانه مشخصی را نشان می‌دهند که در زیر آن هیچ نتیجه رضایت بخشی نمی توان به دست آورد. (این مقدار آستانه به شدت به مکانیسم فیزیکی مورد استفاده بستگی دارد). بنابراین، نیاز به ترکیب مناسبی از پیک توان یا انرژی پالس و شعاع پرتو لیزر در کانون وجود دارد و مدت زمان پالس نیز کاملا باید کنترل شده و متناسب با ماده مورد نظر انتخاب شود. برای پردازش سریع، لیزر باید نرخ تکرار پالس به اندازه کافی بالا داشته باشد، که همراه با انرژی پالس نشان دهنده یک توان متوسط معین است. لیزرهای پالسی فیبر نوری که با مکانیزم Qسوییچ کار می‌کنند بسیار مناسب حکاکی لیزری هستند و پارامترهای مختلف پرتو به راحتی در آن‌ها قابل تغییر است.
در برخی موارد، قطار پالس Q سوئیچ باید برای فواصل زمانی معینی خاموش شود تا نازل لیزر به موقعیت دیگری که علامت گذاری مجدداً راه اندازی می شود، منتقل شود. این سوئیچینگ اغلب این مشکل را ایجاد می کند که اولین پالس، انرژی بالاتری دارد که می تواند کیفیت علامت گذاری را خراب کند. برخی از لیزرها برای جلوگیری از چنین مشکلاتی مجهز به وسایلی برای منحرف کردن اولین پالس هستند.
از آنجایی که محیط‌های صنعتی می‌توانند آلوده و یا از نظر مکانیکی مطلوب نباشند، طراحی لیزر از لحاظ ساختار فیزیکی برای عملکرد قابل اعتماد ضروری است. برای مثال، لیزر باید سطحی از ارتعاشات مکانیکی و بازتاب نور لیزر را تحمل کند. بسته به شرایط خاص، انواع مختلفی از لیزرها می‌توانند برای کاربرد علامت‌گذاری مناسب‌تر باشند. لیزرهای پالسی فیبر نوری با نرخ تکرار قابل تغییر و توان متوسط نسبتا بالایی که دارند برای حکاکی و علامت گذاری طیف وسیعی از مواد به ویژه فلزات مناسب هستند. برای سطوح فلزی، لیزرهای CO2 به دلیل جذب کم در طول موج های بلندشان (حدود 10 میکرومتر) مناسب نیستند. طول موج لیزر های فیبری و Nd:YAG در ناحیه 1میکرومتر بسیار مناسب هستند.