High-Performance Embedded Systems for Digital Laser Marking and Printing

Abstract

El marcatge per làser és una part habitual de molts processos de fabricació en la indústria, amb gran importància en el sector dels béns de consum ràpid (en anglès, fast-moving consumer goos, FMCG), ja que respecta el medi ambient sense perdre productivitat. La velocitat de les línies de producció és un factor determinant en la capacitat de producció de moltes indústries, però la seva escalabilitat es podria veure obstaculitzada per alguns límits fonamentals de les actuals tecnologies de marcatge làser. En l’actualitat, la majoria dels equips de marcatge làser es basen en un únic feix làser amb el corresponent processament seqüencial, que culmina en un coll d’ampolla de rendiment que limita la velocitat de la línia de producció d’impressió a una barrera de facto de 8 m/s. En aquesta tesi, reviso les tecnologies més avançades, els seus factors limitants i analitzo com poden superar-les futurs sistemes. Proposo, implemento i valido diverses plataformes que superen aquestes barreres mitjançant l’ús d’una matriu de feixos làser originats per matrius linials de làsers semiconductors o matrius linials de díodes làser acoblats a fibra, per al seu ús industrial en aplicacions d’impressió d’alta velocitat i alta resolució (f-LDA) i de codificació de molt alta velocitat (HP f-LDA). En tots els casos, es controlen en temps real mitjançant l’ús d’una arquitectura de computació reconfigurable d’alt rendiment integrada basada en FPGAs. Com a alternativa a la generació i processament de múltiples feixos làser en paral·lel, també proposo projectar imatges formades per beamlets làser sobre superfícies. Aquestes imatges es generen mitjançant tecnologies SLM o DLP. Per fer-ho de forma eficaç, les imatges han de renderizarse correctament perquè coincideixin amb la resolució, l’escala de grisos i l’amplada d’impressió requerides; i el sistema de control ha de calcular aquesta informació juntament amb la posició desitjada de la imatge impresa i la velocitat del producte que s’ha d’imprimir o marcar, la qual pot adquirir-se a partir d’encoders i sensors industrials. A més, presento un nou mètode multi-feix per imprimir en paper i cartró sense tinta. El mètode es basa en la carbonització del paper mitjançant una combinació de làsers que treballen en diferents longituds d’ona. Es crea un sistema de prova de concepte, basat en la combinació de sistemes comercials existents, per demostrar la viabilitat del mètode. Els resultats mostren que no es generen residus i que la qualitat de la marca és superior en termes de contrast i resolució als mètodes coneguts anteriorment. Les solucions industrialitzades presentades en aquesta tesi, poden imprimir imatges des de 50 a més de 300 ppp de resolució en substrats d’impressió amb amplades que van des de 570 µm fins a 100 mm, a velocitats de línia de producció de fins a 16 m/s. L’anàlisi realitzat, suggereix que podrien aconseguir-se velocitats encara més ràpides invertint en feixos làser addicionals, el que donaria lloc a tota una gamma de noves aplicacions en la Indústria 4.0.

El marcado por láser es una parte habitual de muchos procesos de fabricación en la industria, con gran importancia en el sector de los bienes de consumo rápido (en inglés fast-moving consumer goods, FMCG), ya que respeta el medio ambiente sin perder productividad. La velocidad de las líneas de producción es un factor determinante en la capacidad de producción de muchas industrias, pero su escalabilidad podría verse obstaculizada por algunos límites fundamentales de las actuales tecnologías de marcaje láser. En la actualidad, la mayoría de los equipos de marcado láser se basan en un único haz láser con el correspondiente procesamiento secuencial que culmina en un cuello de botella de rendimiento que limita la velocidad de la línea de producción de impresión a una barrera de facto de 8 m/s. En esta tesis, reviso las tecnologías más avanzadas, sus factores limitantes y analizo cómo pueden superarlos los futuros sistemas. Propongo, implemento y valido varias plataformas que superan estas barreras mediante el uso de una matriz de haces láser, originados por matrices lineales de láseres semiconductores o matrices lineales de diodos láser acoplados a fibra, para su uso industrial en aplicaciones de impresión de alta velocidad y alta resolución (f-LDA) y de codificación de muy alta velocidad (HP f-LDA). En todos los casos, se controlan en tiempo real mediante el uso de una arquitectura de computación reconfigurable de alto rendimiento integrada basada en FPGAs. Como alternativa a la generación y procesamiento de múltiples haces láser en paralelo, también propongo proyectar imágenes formadas por microhaces láser sobre superficies. Estas imágenes se generan mediante tecnologías SLM o DLP. Para hacerlo de forma eficaz, las imágenes deben renderizarse correctamente para que coincidan con la resolución, la escala de grises y la anchura de impresión requeridas; y el sistema de control debe calcular esta información junto con la posición deseada de la imagen impresa y la velocidad del producto que debe imprimirse o marcarse, que puede adquirirse a partir de encoders y sensores industriales. Además, presento un novedoso método multi-haz para imprimir en papel y cartón sin tinta. El método se basa en la carbonización del papel mediante una combinación de láseres que trabajan en diferentes longitudes de onda. Se ha creado un sistema de prueba de concepto, basado en la combinación de sistemas comerciales existentes, para demostrar la viabilidad del método. Los resultados muestran que no se generan residuos y que la calidad de la marca es superior en términos de contraste y resolución a los métodos conocidos anteriormente. Las soluciones industrializadas presentadas en esta tesis, pueden imprimir imágenes desde 50 a más de 300 ppp de resolución en sustratos de impresión con anchos que van desde 570 µm hasta 100 mm, a velocidades de línea de producción de hasta 16 m/s. El análisis realizado sugiere que podrían alcanzarse velocidades aún mayores invirtiendo en haces láser adicionales, lo que daría lugar a toda una gama de nuevas aplicaciones en la Industria 4.0.

Laser marking is a common part of many manufacturing processes in the industry, with great importance in the fast-moving consumer goods (FMCG) industry since respects the environment without losing productivity. The speed of production lines is a key determinant of the output capacity of many industries, but their scalability could be hindered by some fundamental limits of current laser marking technologies. Currently, most laser marking equipment is based on a single laser beam with the corresponding sequential processing that culminates in a performance bottleneck which limits printing production line speed to a de facto barrier of 8 m/s. In this thesis, I review state-of-the-art technologies, their limiting factors, and analyze how future systems can overcome them. I propose, implement and validate several platforms that overcome these barriers by using a matrix of laser beams from semiconductor laser arrays or fiber-coupled laser diode arrays, for its industrial use in high-speed printing and high-resolution printing (f-LDA) and very-high-speed coding (HP f-LDA) type of applications. In all cases, they are controlled in real-time by using an embedded high-performance computing reconfigurable architecture based on FPGAs. As an alternative to generating and processing multiple laser beams in parallel, I also propose to project images formed by laser beamlets onto surfaces. These images are generated using SLM or DLP technologies. To do this effectively, images must be rendered correctly to match the required resolution, grayscale, and print width; and the control system needs to calculate this information along with the desired position of the printed image and the speed of the product to be printed or marked, which can be acquired from industrial encoders and sensors. Additionally, I present a novel multi-beam method to print paper and cardboard without ink. The method is based on the carbonization of paper by a combination of lasers working on different wavelengths. A proof-of-concept system is created based on combining existing commercial systems to demonstrate the viability of the method. The results show that no debris is generated, and the quality of the mark is superior in terms of contrast and resolution to previously known methods. The industrialized solutions presented in this thesis can print images from 50 to more than 300 dpi resolution on printing substrates widths ranging from 570 µm up to 100 mm, at production line speeds of up to 16 m/s. The analysis performed suggests that even higher speeds could be achieved by investing in additional laser beams, leading to a full range of new applications in Industry 4.0.