Materialwissenschaft
Daten durch Lasergravur speichern
Erst 1960 entwickelt, haben sich Laser in den letzten Jahren immer mehr an Popularität erfreut. Der globale Laser-Technologie-Markt wird voraussichtlich auf 35,4 Mrd. USD anwachsen bis 2032. Dieses Wachstum wird getrieben durch die steigende Nachfrage nach Lasern in verschiedenen Branchen, einschließlich Kommunikation, Verteidigung, Wissenschaft, Sicherheit, Daten-speicherung und mehr.
Lasers, die Geräte sind, die Licht durch optische Verstärkung emittieren, werden häufig für die Gravur verwendet. Laser-Gravur ist ein Prozess zur Erstellung von Markierungen auf der Oberfläche eines Produkts, wie z.B. QR-Codes, Strichcodes, Logos und Seriennummern. Diese Markierungen enthalten wichtige Informationen, um die Herkunft eines bestimmten Produkts während seines gesamten Lebenszyklus zu verfolgen und dessen Sicherheit und Haltbarkeit zu gewährleisten. Darüber hinaus wird dieser Prozess auch verwendet zur Erstellung von Kunstwerken für Produkte.
Laser-Gravur fällt unter eine größere Kategorie von Laser-Markierungen, die auch Laser-Annealing – einen Prozess, der das Material erhitzt – und Laser-Gravur, die das Material verdampft, umfasst. Aufgrund ihrer hohen Vielseitigkeit kann der Laser die meisten Metalle gravieren.
Wie funktioniert das?
Um eine Markierung zu erstellen, emittiert der Laserstrahl eine große Menge Energie auf eine konzentrierte Fläche, schmilzt die Oberfläche des Materials und bildet die gewünschte Markierung. Im Gegensatz zu anderen Prozessen, die lediglich die Farbe oder die Textur der Oberfläche ändern, ändert die Laser-Gravur tatsächlich die Oberfläche und erstellt eine erhöhte oder vertiefte Fläche mit einer raueren Textur.
Dadurch werden durch die Änderung der Oberfläche eines Materials mithilfe eines Lasers verschiedene permanente Designs und Muster erstellt.
Verschiedene Arten von Lasern, die für die Gravur verwendet werden, sind Faser-, CO2-, Kristall-, Dioden-Laser und Dioden-pumpende Festkörperlaser.
Diese Methode der Erstellung von Markierungen auf einem Material bietet Vorteile wie Geschwindigkeit und umfangreiche Anpassungsmöglichkeiten. Es handelt sich um eine nicht-invasive Methode, die keine chemischen Reaktionen auslöst und keine mechanischen Spannungen erzeugt und hochwertige Markierungen produziert. Laser-Gravur kann auch nicht-abrasive Behandlungen wie Pulverbeschichtung widerstehen.
Darüber hinaus kann Laser-Gravur auf einer Vielzahl von Materialien verwendet werden, wie z.B. Holz, Leder, Kunststoffen, Glas, Keramik, Naturstein und Halbleitern. Es ist auch effektiv auf fast allen Metallen, einschließlich Aluminium, eloxiertem Aluminium, Blei, Magnesium, Stahl, Zink, Kupfer, Messing und Titan. Im Grunde kann fast jedes Material laser-graviert werden.
Allerdings ist Laser-Gravur nicht ohne ihre Probleme, wie z.B. hohe Anfangskosten für Maschinen. Darüber hinaus können die Markierungen in abrasiven Umgebungen, wie z.B. bei der Sandstrahlbehandlung, abnutzen.
Trotz dieser Herausforderungen überwiegen die Vorteile der Laser-Gravur ihre Nachteile, was sie für die meisten Markierungsanwendungen empfehlenswert macht. Laser-Gravur wird weithin verwendet in vielen Branchen für ihre Vielseitigkeit, Effizienz und Präzision, einschließlich Automotive, Elektronik, Verpackung und Verteidigung, Metallbearbeitung, Schmuck, Kunst und medizinische Geräte.
Eine weitere interessante Anwendung der Laser-Gravur ist die Datenspeicherung. Vor über einem Jahrzehnt sprach Hitachi über die Aufbewahrung von Informationen für hunderte von Millionen Jahren durch Laser-Codierung in Quarzglas-Scheiben. Allerdings löste diese Technik nicht das Problem der Verwaltung der großen Menge an Daten.
Vor einigen Jahren speicherte Peter Kazansky, ein Professor am Optoelectronics Research Centre der University of Southampton, 500 Terabyte an Daten auf einer kleinen Glas-Scheibe mittels Laser-Gravur.
Modifizierung von Polysulfid-Oberflächen mit Niederleistungs-Lasern
Angesichts der großen Vorteile der Laser-Gravur suchen Forscher und Wissenschaftler ständig nach Möglichkeiten, die Technologie zu verbessern und neue Anwendungen zu finden. Kürzlich entdeckten Forscher der Flinders University, dass ein preisgünstiger, lichtempfindlicher Schwefel-Derivat-Polymer auf Niederleistungs-, sichtbare Licht-Laser reagiert.
Typischerweise benötigen wir, um die Oberflächen von Polymeren zu ändern, die aus sehr großen Molekülen bestehen, Laser, die sehr hohe Leistung emittieren. Mit Hochleistungs-Lasern können hochentwickelte Elektronik-, Biomedizin- und Datenspeicher-Komponenten hergestellt werden. Durch die neueste Entdeckung können jedoch günstigere und sicherere Produktionsmethoden entwickelt werden.
Laut dem Forschungsassistenten und Co-Autor Dr. Lynn Lisboa:
“Die Auswirkungen dieser Entdeckung reichen weit über das Labor hinaus, mit möglichen Anwendungen in biomedizinischen Geräten, Elektronik, Informations-speicherung, Mikrofluidik und vielen anderen funktionalen Material-Anwendungen.”
Die in Angewandte Chemie International Edition veröffentlichte Studie hebt die Bedeutung hervor, Polymer-Oberflächen mit Laser-Licht zu modifizieren, um Fortschritte in verschiedenen Bereichen zu unterstützen, während sie darauf hinweist, dass solche Änderungen normalerweise teure, hochleistungsstarke Laser erfordern, die spezielle Werkzeuge und Einrichtungen benötigen, um die Strahlungsgefahr zu reduzieren.
Laser-Modifizierungen ermöglichen löschbare Informations-Speicherung
Die in der Chemie-Zeitschrift veröffentlichte Studie zeigte auch eine laser-gravierte Version des berühmten Mona-Lisa-Gemäldes sowie die Erstellung eines Mikro-Braille-Schriftzugs, der kleiner war als der Kopf einer Stecknadel.
Die von der Australian Research Council, Flinders Microscopy und Microanalysis, ANFF-SA und Microscopy Australia geförderte Studie hebt die Entdeckung hervor, die den Weg für die Verwendung nachhaltigerer Materialien ebnen könnte. Insbesondere verwendete die Studie ein Polymer, das aus dem preisgünstigen industriellen Nebenprodukt Schwefel hergestellt wurde. Darüber hinaus kann diese Methode den Bedarf an teuren, speziellen Geräten reduzieren.
Die Entdeckung wurde während einer Routine-Analyse eines Polymers gemacht, das vor zwei Jahren im Chalker-Labor von dem Doktoranden Samuel Tonkin und Professor Justin Chalke von der Flinders University Institute for NanoScale Science and Engineering erfunden wurde.
Das neue Polymer wurde gefunden, um sofort modifiziert zu werden, sobald das Laser-Licht seine Oberfläche berührte. Dies, sagte der Studien-Co-Autor und Flinders-Universitäts-Forscher Dr. Christopher Gibson, war eine “unübliche Reaktion”, die noch nicht bei anderen gängigen Polymeren beobachtet wurde. Er sagte:
“Wir haben sofort erkannt, dass diese Entdeckung in einer Vielzahl von Anwendungen nützlich sein könnte, also haben wir ein Forschungsprojekt um diese Entdeckung herum aufgebaut.”
Die Flinders-College-of-Science-and-Engineering-Doktorandin Abigail Mann nannte diese Entwicklung “aufregend” und sagte, dass durch die Verwendung neuer Techniken zur Herstellung von Strukturen im Mikro- und Nano-Maßstab für Schwefel-basierte Materialien “wir hoffen, eine breite Palette von realen Anwendungen in unserem Labor und darüber hinaus zu inspirieren.”
Diese Entdeckung bietet eine neue Möglichkeit, präzise Muster auf der Polymer-Oberfläche zu erzeugen. Diese Fähigkeit hat potenzielle Anwendungen in biomedizinischen Geräten mit strukturierten Oberflächen, neuen Methoden für die Verwendung von Polymeren in der Datenspeicherung und alternativen Ansätzen für die Herstellung von Nano-Geräten für Mikrofluidik, Sensoren und Elektronik.
In einer praktischen Demonstration ihres Potenzials für löschbare Informations-Speicherung zeigte die Studie die Fähigkeit, eine Nachricht in Braille zu codieren. Dies wurde erreicht, indem ein Laser verwendet wurde, um erhöhte Punkte auf dem Material zu erstellen, die dynamischen S-S-Bindungen und Eigenschaften ähnlich wie Vitrimere – eine Kategorie von Kunststoffen, die das Schreiben und Löschen der Nachricht ermöglichten.
Um den Buchstaben “Geheime Nachricht” in Braille zu schreiben, verwendeten die Forscher einen Laser mit einer geringeren Leistungs-Einstellung (638 nm, 2,4 mW).
Dann verwendeten das Team eine höhere Leistungs-Einstellung (638 nm, 5,4 mW), um Löcher in den Ecken durch Ablation und Material-Entfernung zu erstellen.
Die Studie fand heraus, dass die thermische Behandlung die erhöhten Punkte löschte, wenn sie bei 160°C für 5 Stunden im Ofen inkubiert wurden.
Der Prozess der löschbaren Informations-Codierung, wie in der Studie beschrieben, “bildet eine neue Richtung in photoresponsiven Materialien, mit Vorteilen in der Einfachheit der Material-Synthese und der Verwendung von Niederleistungs-Lasern.”
Die Studie demonstrierte auch die Erstellung eines komplexen, mikroskopischen Bildes mittels direkter Laser-Lithographie.
Mit einem 532 nm-Laser, der mit 7% Leistung (1,3 mW) betrieben wurde, erzeugte das Flinders-Forschungsteam die feineren Linien der “Mikro-Lisa”.
Mit einem höheren Leistungslaser (3,0 mW) erzeugte das Team dann die breiteren und tieferen Linien des 23 μm breiten und 5 μm tiefen Quadrat-Rahmens.
Schlussfolgerung
Wie wir in dieser Studie gesehen haben, konnten die Forscher die Copolymere mithilfe von Niederleistungs-, sichtbarem und infrarotem Laser-Licht modifizieren. Die Modifizierungen waren schnell, mit einer Expositionszeit von weniger als einer Sekunde. Diese Zeitskala kann in verschiedenen Branchen, insbesondere in denen, die eine schnelle Prototypen- und Fertigungs-Prozesse erfordern, von erheblichem Vorteil sein.
Durch die Kontrolle der Wellenlänge, des Durchmessers und der Leistung des Strahls konnten die Forscher erhöhte Punkte, Löcher, Gruben, Kanäle und Spitzen auf der Polymer-Oberfläche erstellen. Diese Vielseitigkeit ermöglicht es, auch komplexe Muster zu erstellen, um Funktionalitäten zu verbessern und spezifischen Anwendungen zu entsprechen.
Aber das ist noch nicht alles. Einfach durch Erhitzen der Probe konnten die Forscher die Polymer-Schwell-Modifizierungen auch löschen. Diese Fähigkeiten sind erheblich, wie das Team mit direkter Laser-Lithographie von komplexen Bildern und löschbarer Informations-Codierung demonstrierte.
Diese Studie hat nicht nur eine einfache Methode und günstige Materialien und Laser-Systeme bereitgestellt, die mehr zugängliche und kostengünstige Lösungen bieten können, sondern kann auch speziell in der Verschlüsselung, Datenspeicherung und vielen anderen Bereichen, in denen temporäre Modifizierungen erforderlich sind, nützlich sein.
