Лазерная маркировка

Физические основы лазерной маркировки

Лазерная маркировка представляет собой технологию создания долговечных, точных и контрастных знаков на поверхности различных материалов с помощью сфокусированного лазерного излучения. Эта методика нашла широкое применение в промышленности, медицине, микроэлектронике и других отраслях, благодаря своей высокой точности, безконтактности и возможности автоматизации процесса.

В основе лазерной маркировки лежат нелинейные и линейные процессы взаимодействия электромагнитного излучения высокой плотности мощности с веществом. При маркировке основное значение имеют следующие физические процессы:

• Фототермическое воздействие — локальный нагрев поверхности за счёт поглощения фотонов, вызывающий изменения структуры и/или цвета материала.
• Фотохимическое воздействие — изменение химического состава поверхности под действием фотонов, чаще всего ультрафиолетового диапазона.
• Абляция — испарение или выброс вещества с поверхности при достижении порога разрушения материала.
• Плазмообразование — генерация плазмы в фокусе лазерного пучка при экстремально высоких плотностях энергии.

Каждый из указанных механизмов может преобладать в зависимости от параметров лазерного излучения (длина волны, длительность импульса, мощность, плотность энергии), а также от свойств обрабатываемого материала.

Виды лазерной маркировки по физическим принципам

1. Термическая маркировка (ожоговая) Осуществляется за счёт локального нагрева поверхности. Температура повышается до точки обугливания, окисления или плавления. Характерна для органических и некоторых неорганических материалов.

• Цветовая модуляция: у нержавеющих сталей может возникать интерференционная окраска вследствие формирования тонкой оксидной пленки.
• Температурные градиенты вызывают микротрещины и локальные напряжения, изменяющие оптические свойства поверхности.

2. Удаление покрытия (лазерная декорировка) Используется для удаления лакокрасочного, анодированного или другого покрытия с подложки. Лазер испаряет покрытие, не повреждая основной материал.

• Позволяет наносить высококонтрастные метки, особенно на изделиях с черной подложкой под светлым слоем.
• Применяется в электронике, автомобилестроении и для защиты от подделок.

3. Абляционная маркировка Суть метода — испарение материала из фокусной зоны. Энергия лазерного импульса превышает порог абляции, что приводит к удалению вещества на глубину от долей микрометра до десятков микрометров.

• Часто используется при маркировке металлов, керамики, твердых пластиков.
• Формирует неглубокие, но чёткие углубления.

4. Карбонизация (углеродное почернение) При воздействии лазера на полимерные материалы или органику может происходить термическое разложение с образованием углеродистых соединений, придающих метке тёмный цвет.

• Метод эффективен для материалов с высоким содержанием водорода и углерода.
• Обеспечивает хорошую читаемость при малом изменении рельефа.

5. Вспенивание Нагрев приводит к образованию пузырьков газа в толще материала, создающих выпуклую, матовую структуру. Характерно для пластмасс.

• Метки становятся рельефными и заметными на свету.
• Используется для маркировки ПВХ, полиэтилена, полипропилена.

6. Повреждение кристаллической структуры (лазерная окраска) Применяется для прозрачных материалов (стекло, сапфир). Лазер формирует микротрещины, каналы или изменения в плотности внутри объема — это и становится меткой.

• Часто применяется в микроэлектронике и оптоэлектронике.
• Возможна 3D-маркировка внутри объема.

Влияние параметров лазерного излучения

Длина волны Определяет глубину проникновения излучения и эффективность его поглощения. Например:

• Инфракрасное излучение (1064 нм, Nd:YAG, волоконные лазеры) — хорошо поглощается металлами.
• Ультрафиолетовое излучение (355 нм) — предпочтительно для обработки пластмасс и микромаркировки.
• Зелёные лазеры (532 нм) — подходят для тугоплавких материалов и керамик.

Длительность импульса Значительно влияет на тепловое воздействие:

• Наносекундные лазеры вызывают термические эффекты (нагрев, плавление).
• Пикосекундные и фемтосекундные лазеры обеспечивают “холодную” абляцию с минимальным тепловым влиянием.

Мощность и энергия импульса Высокая плотность энергии (>10⁶ Вт/см²) необходима для абляции и плазмообразования, в то время как низкая мощность (до 10³ Вт/см²) может быть достаточной для термической модуляции цвета.

Режим работы

• Импульсный режим позволяет контролировать дозу энергии и улучшать разрешение.
• Непрерывный режим чаще используется при термическом воздействии и маркировке на скорости.

Аппаратная реализация лазерной маркировки

Источники излучения Наиболее часто применяются следующие типы лазеров:

• Волоконные лазеры (Yb-допированные) — компактны, энергоэффективны, имеют длительный ресурс.
• Nd:YAG-лазеры — классический источник ИК-излучения, пригодный для широкого круга задач.
• CO₂-лазеры — длина волны ~10.6 мкм, используются для неметаллов (дерево, стекло, пластик).
• Ультрафиолетовые лазеры (на частотном умножении Nd:YAG) — для высокоточной маркировки.

Оптические системы Включают фокусирующую оптику и систему сканирования (гальванометры, линзы Фθ). Последние позволяют перемещать лазерный луч с высокой скоростью по заданной траектории.

Система управления Позволяет интегрировать лазер в производственные линии, задавать параметры метки, управлять движением объекта или луча. Используются системы CAD/CAM, ЧПУ, модули визуального распознавания и обратной связи.

Особенности взаимодействия с различными материалами

Металлы Хорошо поддаются абляционной и термической маркировке. Поверхностные оксидные пленки усиливают контраст метки. Нержавеющая сталь может менять цвет при различных режимах нагрева (интерференционная окраска).

Полимеры Реагируют по-разному в зависимости от структуры. Прозрачные полимеры требуют добавок-поглотителей. Возможны процессы вспенивания, карбонизации и обесцвечивания.

Стекло и керамика Излучение с высокой интенсивностью позволяет создавать внутренние микродефекты или поверхностные трещины. Для обеспечения контрастности может применяться лазерная окраска с последующей закалкой.

Композитные материалы Требуют индивидуального подбора параметров из-за разнородности компонентов. Возможна селективная абляция одного из слоёв.

Технологические преимущества лазерной маркировки

• Бесконтактность процесса исключает механическое повреждение.
• Высокое разрешение и точность меток — до нескольких микрометров.
• Автоматизация и интеграция в производственные линии.
• Универсальность — применимость ко многим видам материалов.
• Долговечность и стойкость маркировки к истиранию, температуре и химии.
• Экологическая чистота — отсутствие чернил, кислот, растворителей.

Современные направления и перспективы

• Разработка ультракороткоимпульсных лазеров для “холодной” обработки с минимальным термическим влиянием.
• Использование лазеров с настраиваемой длиной волны для селективной обработки композитов.
• Интеграция лазерной маркировки с RFID и QR-технологиями для отслеживания продукции.
• Применение внутриобъёмной (3D) маркировки в прозрачных материалах.
• Развитие лазерной цветной маркировки на металлах без добавления пигментов.

Лазерная маркировка представляет собой одно из наиболее развитых и технологически гибких направлений лазерной обработки. Сочетая физическую строгость взаимодействия излучения с веществом и возможности автоматизации, она становится ключевым элементом в современных производственных и научных задачах.