Серийный номер на корпусе, маркировка DataMatrix на хирургическом инструменте, логотип на табличке: все это можно нанести чернилами, наклейкой, иглой или светом. Лазерная маркировка — это оптимальный вариант, если маркировка должна выдерживать мытье, воздействие растворителей, автоклавирование или двадцать лет эксплуатации на станке, и если деталь не должна подвергаться прикосновениям. Однако это не один метод, а целое семейство совершенно разных процессов.
В этом тексте данные представлены в двух таблицах. Первая показывает, что физически происходит с материалом во время лазерной маркировки — от отжига стали до окрашивания титана — и в каких процессах материал теряется, а в каких нет. Вторая сравнивает лазер с микроточечной маркировкой, резаком, струйной печатью и этикеткой, используя те же столбцы: расходные материалы, долговечность, время, стоимость, контакт с деталью и пригодность для кодирования.
Наконец, приведен список ситуаций, когда лазеры не являются лучшим инструментом. Эти данные основаны на публикациях производителей лазеров и рекомендациях GS1.
Лазерная маркировка против гравировки: в чем разница?
В повседневной речи слова «гравировка» и «маркировка» часто являются синонимами. В технологиях разница очевидна. Гравировка — это удаление материала: луч испаряет металл или пластик, оставляя углубление. Маркировка — это изменение внешнего вида поверхности, либо без углубления, либо с незначительным углублением — путем окисления, изменения цвета, вспенивания или удаления тонкого покрытия.
Эта разница определяет, изменяет ли метка размеры и шероховатость детали, сохранится ли она после покраски и как долго это продлится. Поэтому в данной статье мы говорим о маркировке, а глубокую гравировку по металлу мы рассматриваем отдельно в тексте, посвященном черноте, глубине и стойкости гравировки по металлу (источник на польском) .
Сегодня источником промышленной маркировки металла почти всегда является волоконный лазер, также известный как волоконный лазер (луч формируется в легированном стекловолокне), с длиной волны 1064 нм. Для маркировки пластмасс, стекла и органических материалов также используются CO2-лазер (10,6 мкм) и УФ-лазер (355 нм). По словам производителей маркировочных машин, УФ-излучение разрывает химические связи, а не плавит материал, отсюда и термин «холодная маркировка»; волоконный и CO2-лазер работают в основном за счет нагрева.
Лазерная маркировка металла и пластика: шесть методов в одной таблице.
Шесть описанных ниже процессов различаются по тому, как они воздействуют на поверхность. Выбор зависит от материала, желаемого контраста и того, что будет происходить с деталью в дальнейшем.
| Метод | Что происходит с материалом? | Материалы | Эффект | Материальные потери | Лазерный источник |
|---|---|---|---|---|---|
| Отжиг | Поверхность нагревается до точки плавления, в результате чего образуется слой оксида. | Нержавеющая сталь, сталь, титан (только эти материалы, по мнению производителя лазера) | Черная, темно-коричневая или серая метка | Отсутствует; по его словам, оксид обычно находится ниже 300 нм. | Волоконно-оптический кабель, более медленное сканирование (JPT), смещенный фокус (производитель лазера) |
| Абляция оболочки | Удаление тонкого верхнего слоя, обнажающего подложку. | Анодированный алюминий, окрашенные, покрытые гальваническим покрытием, хромированные металлы. | Контраст между покрытием и подложкой | Только покрытие | Волокно; также CO2 на аноде |
| Карбонизация | Локальный пиролиз, темные углеродные продукты в материале | Легкие пластмассы (ПК, АБС, ПА), дерево, кожа, бумага | Темная вывеска на светлом фоне | Отсутствует или незначительно | Волокно, CO2 (под УФ-излучением темное пятно вызвано фотохимическим изменением цвета) |
| Пенообразование | Частичное плавление и газификация, пузырьки рассеивают свет. | Темные материалы | Яркий, слегка выпуклый знак | Отсутствует; высота 20–40 мкм согласно данным производителя оборудования. | Волокно (MOPA уменьшает пенообразование) |
| Удаление слоя | Испарение верхнего слоя ламината, пленки или двухслойного лака. | Ламинированные материалы для гравировки, фольга, многослойная бумага, двухцветные материалы. | Цвет подложки | Верхний слой | CO2, волокно |
| Цвет (MOPA) | Контролируемая толщина оксидного слоя, цвет, определяемый по интерференции тонких пленок. | Нержавеющая сталь, титан | Золотой, коричневый, фиолетовый, синий и другие | Недостаток | Волоконно-оптический преобразователь MOPA с регулируемой длительностью импульса |
Черный и цветной цвета представляют собой один и тот же оксидный слой различной толщины: по данным JPT, цвет меняется каждые десятки нанометров, а по мнению производителей маркировочных машин, для получения воспроизводимых цветов требуется источник MOPA с регулируемой длительностью импульса. Параметры отжига и источник MOPA описаны в тексте о гравировке металла, ссылка на который приведена выше.
Для маркировки пластмасс используются три промежуточных метода. Достигаемый эффект зависит от полимера, красителя и длины волны, а не от мощности: полиэтилен и полипропилен, по данным производителя маркировки, плохо реагируют на 1064 нм и требуют добавок или УФ-излучения. Выбор длины волны для конкретного материала обсуждается в статье о лазерной маркировке пластмасс .
Устойчивость маркировки: истирание, воздействие химических веществ, перепады температур и что делать после нанесения маркировки.
Долговечность лазерной маркировки — это не однозначный показатель: она зависит от метода, указанного в таблице выше, и от нагрузок, которым будет подвергаться деталь. Ни один из приведенных здесь источников не указывает конкретный цикл истирания, поэтому мы также не будем его приводить.
Истирание. След отжига внедрен в оксидный слой, поэтому он исчезнет вместе с ним при шлифовке; по словам производителя лазерного станка, углубленная гравировка «чрезвычайно устойчива к внешним воздействиям». Если деталь шлифовать или подвергать дробеструйной обработке после нанесения маркировки, след не сохранится без повреждений — необходима постобработка для нанесения маркировки или глубокая гравировка.
Химия и температура. По данным производителя маркировки, УФ-маркировка на медицинских материалах устойчива к растворителям, автоклавам и истиранию, в то время как тампонная печать может выцветать или отслаиваться после стерилизации. JPT указывает паровую стерилизацию при 134°C в качестве испытания на воздействие для отожженной маркировки на стали. Пассивация является исключением: согласно техническому документу производителя лазеров, азотная кислота «к сожалению, также удаляет лазерную маркировку», и у другого производителя есть аналогичный опыт; последовательность операций для кодирования описана в тексте о маркировке металла, ссылка на который приведена ниже.
Покраска, гальванизация, покрытия. Плоская маркировка под краской уже не видна; код под тонким слоем конверсионного покрытия может быть читаемым, но это следует проверять с помощью специалиста, а не визуально. Общее правило: определите последовательность операций заранее и наносите маркировку после окончательной обработки поверхности, а если это невозможно, выберите метод с дефектом.
УФ-излучение и воздействие окружающей среды. Маркировка, нанесенная на оксидную или пластиковую структуру, не выцветает, как краска, поскольку в ней отсутствует пигмент, который мог бы разрушаться. По словам производителя маркировки, этикетки отслаиваются, выцветают и размазываются при воздействии тепла и химических веществ; компания GS1 добавляет, что они не подходят для термостерилизованных изделий.
Шесть методов маркировки рядом: лазерная, микроточечная, резак, струйная, этикеточная.
Лазерная печать обычно ассоциируется только с фрезерованием. Однако на рабочем месте она также конкурирует с доводчиком, струйной печатью (CIJ) и печатью этикеток или тампонной печатью. Оценка качества основана на техническом документе производителя лазерного оборудования (2020 г.), материалах производителя маркировки и рекомендациях GS1; сравнение представлено в двух таблицах с одинаковыми строками.
| Техника | Расходные материалы | Долговечность | Время для искусства |
|---|---|---|---|
| Волоконный лазер (1064 нм) | Нет; электричество, периодическая проверка защитного стекла и выхлопных фильтров. | Прочный | Очень короткое время — вся программа DataMatrix менее чем за 1 секунду. |
| CO2-лазер (10,6 мкм) | Трубка, оптика и металлическая подготовка (CerMark и аналогичные) с ограниченным сроком службы. | Устойчив к органическим веществам и покрытиям; к чистому металлу — только после предварительной подготовки. | Недостаток пластика, дерева, стекла; больше металла после подготовки. |
| Микроточечный (точечный) | Стилус (игла) | Очень прочный; выдерживает процессы последующего нанесения покрытия. | Длинный текст – 3-8 секунд на символ |
| Механический гравировальный станок (резак) | Фрезы, с возможностью подачи охлаждающей жидкости. | Прочный, глубокий | Длинный, растет с глубиной |
| Струйная печать / CIJ | Чернила, растворитель, фильтры, утилизация | Скоропортящийся продукт; "со временем может испортиться" | Очень короткий ролик, маркировка в движении. |
| Печать этикеток/тампонная печать | Этикетки, ленты, блокноты, краски, растворители, пленки | Ограниченный ассортимент; этикетки отклеиваются и выцветают, тампон выцветает после стерилизации. | Недолговечна в применении, но печать и наклеивание включены в комплект. |
| Техника | себестоимость единицы продукции | Контакт с подробной информацией | Документация (2D-коды) |
|---|---|---|---|
| Волоконный лазер (1064 нм) | Низкая стоимость после амортизации; высокая стоимость приобретения (покупка $$$$, эксплуатационные расходы $) | Бесконтактный способ, деталь не требует жесткого крепления. | Модуль DPM типа A в соответствии с GS1 (комбинированные модули), проверка в соответствии с ISO/IEC TR 29158. |
| CO2-лазер (10,6 мкм) | Низкое содержание органических веществ; обработка увеличивает затраты на металл. | Бесконтактная оплата | Коды на этикетках, ламинированных материалах, пластике, стекле, а не на голом металле. |
| Микроточечный (точечный) | Низкие закупочные затраты, эксплуатационные расходы | Контакт и сила; деталь должна быть зафиксирована; шум | Модуль DPM типа B (неподключенные модули); GS1 допускает это, но с меньшим минимальным модулем, чем для лазера. |
| Механический гравировальный станок (резак) | Средний; инструментальное и машинное время | Контакт, силы резания, зажим | Двумерные коды сложны — ширина инструмента ограничена модулем, а не надписями и масштабами. |
| Струйная печать / CIJ | Низкие закупочные затраты, эксплуатационные расходы (повторяющиеся, часто ежемесячные) | Бесконтактная оплата | Печатные коды оцениваются в соответствии со стандартом ISO/IEC 15415; читаемость зависит от материала основы и времени нанесения. |
| Печать этикеток/тампонная печать | Низкая себестоимость единицы продукции, но постоянные затраты на материалы и изменение рисунка = новые тарелки. | Приклеивание или прижимание тампона | На этикетке указан "идеальный символ" GS1, но он не подходит для термической стерилизации. |
Стоит помнить о двух вещах. Во-первых, это время: менее секунды против нескольких секунд на символ, по данным производителя маркировочных систем, что означает другую организацию рабочих мест в серии. Во-вторых, это структура затрат: по данным производителя маркировочных систем, лазерный принтер стоит в два-три раза дороже, чем струйный, но более низкие эксплуатационные расходы приводят к снижению общей стоимости; производитель маркировочных систем оценивает окупаемость волоконного принтера по сравнению с струйным составляет от восемнадцати до тридцати шести месяцев. Это оценки производителя лазерных принтеров — рассчитайте их для своего объема печати.
Когда лазер — не лучший выбор
Приведенная выше таблица благоприятна для лазера, поэтому ниже приведены исключения.
- Одноразовые, крупные надписи на упаковке или поддонах: струйная печать или этикетки дешевле в приобретении и достаточно долговечны, чтобы прослужить несколько недель от срока службы коробки.
- К материалам, нечувствительным к излучению с длиной волны 1064 нм, относятся чистый полиэтилен и полипропилен без добавок, стекло и прозрачные пластмассы (через которые проходит волокно), а также чистый металл под воздействием CO2. Этого можно избежать с помощью УФ-излучения, лазерно-активных добавок или специальной обработки, но это увеличивает стоимость оборудования или процесса.
- Очень глубокие, несущие нагрузку маркировки (номера на кованых изделиях, метки на сварных и дробеструйно обработанных деталях): микроточечная или фрезерная обработка обеспечивает более быструю глубину маркировки, чем многократные проходы лазера, и в техническом документе подчеркивается, что точечная обработка выдерживает процессы, происходящие после нанесения покрытия.
- Изменение цвета вывески по желанию заказчика: струйная печать позволяет выбрать цвет чернил; лазерная печать дает результат, зависящий от материала (на ПВХ только золотая вывеска).
- В небольшой мастерской требуется периодическая маркировка: затраты на приобретение лазера класса 4, а также требования охраны труда и техники безопасности не распределяются на достаточное количество часов работы, поэтому целесообразнее передать эту услугу на аутсорсинг; расчет порогового значения приведен в тексте, посвященном вопросу о целесообразности аутсорсинга лазерной гравировки (источник на польском) .
Остаются ПВХ и другие хлорированные материалы: их можно маркировать лазером, но, по словам производителя системы маркировки, они выделяют хлор, который, соединяясь с водяным паром, образует соляную кислоту; выхлопная система с химическим фильтром является «фундаментальным требованием», и фильтры заменяются чаще, чем для других материалов.
Коды, цифры и стандарты: чему должна соответствовать постоянная маркировка.
Для большинства компаний перманентная лазерная маркировка фактически означает нанесение номера DataMatrix или серийного номера, который должен считываться сканером, а не человеком. Применяются стандарты: ISO/IEC 16022 определяет DataMatrix, ISO/IEC 15415 оценивает качество печатных символов, а ISO/IEC TR 29158 оценивает качество символов, нанесенных непосредственно (DPM). GS1 считает, что стандарта 15415 недостаточно для оценки кодов DPM.
В стандарте GS1 различают два типа прямой маркировки: тип A с соединенными модулями (лазерная маркировка, травление) и тип B со съемными модулями (микроточка). Для небольших медицинских изделий, маркируемых лазером, в соответствии с рекомендациями GS1 минимальный размер модуля составляет 0,100 мм, а для микроточки — 0,200 мм, что позволяет разместить читаемый код на меньшем пространстве. Для многоразовых медицинских изделий Регламент о медицинских изделиях (MDR) требует наличия носителя UDI на самом изделии, который остается неизменным после каждой повторной обработки.
Верификатор кода отличается от считывателя: считыватель сообщает, что код был считан сегодня, а верификатор — какой у него класс и поля. Контраст, размер модуля относительно точки и читаемость после обработки обсуждаются в статье о металломаркировочных машинах и кодах DataMatrix .
Какой станок используется для лазерной маркировки деталей?
Для обработки металлов, металлов с покрытием и пластиковых деталей достаточно стационарного волоконного маркера с гальванометрической головкой — парой зеркал, направляющих луч по рабочей зоне без перемещения стола. Примером может служить волоконный маркер RBZ 2020 с источником Raycus 50 Вт и полем 200 x 200 мм; согласно информации на сайте производителя, его применение включает нанесение штрих-кодов, QR-кодов, серийных номеров и логотипов на металл и некоторые виды пластика, а также табличек. Полные технические характеристики можно найти на странице продукта.
Для термочувствительных материалов, стекла и электроники более подходит УФ-лазер, работающий на длине волны 355 нм и осуществляющий маркировку без плавления. Ориентировочная цена УФ-маркера RBZ 1515UV составляет 19 512,00 злотых нетто (в зависимости от технологического процесса). Оба типа, а также опциональная поворотная ось для цилиндрических заготовок, представлены в категории лазерных маркеров Roboteus . Цена RBZ 2020 определяется ценой, зависящей от технологического процесса, поскольку материал, тип маркировки и требуемый класс кода влияют на конфигурацию больше, чем мощность.
Одно важное замечание по технике безопасности: открытая гальванометрическая головка относится к лазерам класса 4, в то время как тот же аппарат в полностью закрытом корпусе с блокировками может относиться к изделиям класса 1 согласно PN-EN 60825-1. Луч с длиной волны 1064 нм невидим, поэтому использование очков с согласованной длиной волны и вытяжного шкафа не является формальностью; выбор корпуса, очков и вытяжного шкафа описан в тексте о том, как выбрать лазерный маркер (источник на польском) .
Часто задаваемые вопросы
В чём разница между лазерной маркировкой и лазерной гравировкой?
Гравировка удаляет материал и оставляет углубление; маркировка изменяет внешний вид поверхности с минимальными потерями или без них — за счет отжига, обесцвечивания, вспенивания или удаления покрытия. Гравировка сохраняется после покраски и шлифовки на меньшей глубине, чем глубина её нанесения; плоская метка — нет, но она не изменяет размеры или шероховатость детали.
Лазерная маркировка является постоянной?
Да, если метод выбран исходя из того, чему деталь будет подвергаться в дальнейшем. По данным JPT, отожженная маркировка на стали выдерживает паровую стерилизацию, а УФ-маркировка на пластике — воздействие растворителей и автоклавирование. Однако она не выдержит шлифовки или — по словам производителя лазера — пассивации азотной кислотой, поэтому последовательность операций необходимо определить до нанесения маркировки.
Как работает цветная лазерная маркировка?
Цвет на нержавеющей стали и титане создается за счет оксидного слоя контролируемой толщины: цвет получается в результате интерференции света внутри тонкого слоя и, согласно JPT, изменяется на десятки нанометров. Для воспроизведения цвета требуется источник MOPA с регулируемой длительностью импульса. Параметры и ограничения описаны в тексте, посвященном лазерной гравировке на металле (источник на польском) .
Можно ли использовать CO2-лазер для маркировки металла?
На чистый металл отражается луч с длиной волны 10,6 мкм — по данным производителя маркировочного оборудования, маркировка металла CO2-лазером практически невозможна и требует подготовки керамики, в то время как волоконный лазер подходит для серийной маркировки стали или алюминия; принцип работы и стоимость обхода подготовки описаны в тексте о лазерной гравировке по металлу (источник на польском) .
Лазерное или микроточечное нанесение серийных номеров на сталь?
Лазерная маркировка, если время имеет решающее значение, а коды небольшие: по словам производителя, вся маркировка DataMatrix создается менее чем за секунду, а для создания микроточечной метки требуется несколько секунд. Микроточечная маркировка, если метка должна быть глубокой и устойчивой к гальваническому покрытию или дробеструйной обработке, по словам производителя лазерной маркировки, очень долговечна, но медленна и требует надежного крепления детали.
Требуется ли извлечение оборудования после лазерной маркировки?
Да. Металлы образуют оксидную пыль, пластмассы — пары, а ПВХ, по данным производителя маркировочной системы, выделяет хлор, который при взаимодействии с влагой образует соляную кислоту. Вытяжная система с HEPA-фильтром и секцией для обработки химических веществ защищает оператора, оптику и сам станок.
Источники
- https://roboteus.com/pl/maszyny/znakowarki-laserowe/znakowarka-fiber-rbz-2020/
- https://roboteus.com/pl/maszyny/znakowarki-laserowe/
- https://jpt-laser.com/applications/laser-annealing-marking/
- https://ref.gs1.org/guidelines/datamatrix/
- https://webgate.ec.europa.eu/udi-helpdesk/en/udi-carrier/direct-marking.html
- https://www.ciop.pl/CIOPPortalWAR/file/99433/Ochrona_przed_promieniowaniem_laserowym_MatInf_M.Okrasa_I.PN.06.pdf
- https://roboteus.com/pl/maszyny/znakowarki-laserowe/rbz1515uv/
Редакционная заметка
Приведенные в тексте заявления производителей взяты из их публикаций и могут изменяться; пожалуйста, проверяйте прейскурантные цены у источника, прежде чем принимать решение. Эффект, долговечность и срок действия маркировки зависят от конкретного оборудования, материала, покрытия и параметров — перед внедрением проведите собственные испытания компонентов. Данный текст не заменяет инструкции производителя или правила охраны труда и техники безопасности при работе с лазерами, особенно класса 4.