Marcas, identidad, comunicación, formación: Gestión integral de la comunicación y el conocimiento
Dsm Micabs es especialista en esta técnica

Introducción al marcaje por láser

DSM09/01/2008
La capacidad del fabricante de hoy en día para seguir un componente a lo largo de sus ciclos de fabricación, venta y servicio es sumamente importante. Las cuestiones de la responsabilidad de producto (inviolable) y medioambientales son los principales motores de esta tendencia.
Al mismo tiempo, los requisitos referentes a la calidad, la flexibilidad, la velocidad y el coste de producción del proceso de marcaje son cada vez más rigurosos. Los sistemas utilizados actualmente para este fin incluyen la impresión por tampón, la impresión por chorro de tinta y la estampación. Todos estos sistemas están muy asentados, pero tienen desventajas en cuanto a la flexibilidad de la producción y la durabilidad del imagen y algunos sistemas podrían tener un impacto medioambiental negativo (ver la tabla 2).

El marcaje por láser combina la posibilidad de la producción en serie con una flexibilidad y personalización final de los productos, sin el uso añadido de las tintas o el pretratamiento de los plásticos antes de la impresión. La impresión directa con tinta pone una imagen en la superficie mientras que el marcaje por láser puede proporcionar una marca indeleble, de alto contraste bajo la superficie.

El marcaje por láser no implica ningún contacto directo con el plástico que no sea a través del haz de láser. Es la manera más flexible de marcar los plásticos y produce imágenes legibles, nítidas e indelebles. Los láseres pueden marcar productos con distintas geometrías en un proceso totalmente informatizado con una alta reproducibilidad y fiabilidad. Debido a que las tasas de rechazo se encuentran muy por debajo del 0,01 por ciento, el marcaje por láser se puede integrar al final de una línea de montaje o utilizar como un proceso independiente. Esto supone una flexibilidad en el marcaje y la logística y puede conllevar reducciones en los costes.

foto
Comparativa de procesos de marcaje.

El principio

La luz láser es una luz con una única longitud de onda y mucha energía, que puede interactuar con un material (por ejemplo un plástico) y así marcarlo. El desarrollo de los láseres es un proceso constante. Actualmente existen varios sistemas diferentes. Todos son sistemas de láser industriales controlados por ordenador que se pueden integrar en líneas de producción totalmente automatizadas.

[Láser = Amplificación de la luz a través de una emisión estimulada de radiación]

Generación de luz láser

La fuente de bomba (lámpara o diodo) bombea energía a la barra láser, donde se genera la luz láser. Esta luz láser se refleja entre dos espejos: uno de éstos refleja la luz sólo parcialmente. Una pequeña parte de la luz láser sale del láser a través de este espejo y puede ser utilizada en el marcaje (ver la figura 2).
foto
Bomba de alimentación de aire secundaria
foto
Figura 2. Diseño de la fuente de láser.
foto
Figura 3. Láseres continuos frente a pulsados

Láser pulsado

Los láser de marcaje generan pulsos muy pequeños y exactos a través de un interruptor Q (ver la figura 2). El interruptor Q es un interruptor situado entre la barra láser (medio de láser) y el espejo de salida y tiene dos funciones importantes:

• El encendido/apagado rápido del haz láser controlando la duración del pulso y la potencia de cresta del pulso (ver la figura 3).

El interruptor Q permite sintonizar con precisión la interacción del haz láser con el material.

Las ventajas del marcaje por láser se resumen a continuación:

• Marcaje libre de contactos en productos totalmente montados (incluso en puntos con acceso difícil)

• Fácil de operar (controlado por ordenador)

• No implica la utilización de tintas de impresión, disolventes y otros productos químicos (proceso ecológico)

• Sin desgaste del equipo de marcaje (sin cargas mecánicas)

• Rendimiento con una calidad constante en grandes series. Alto desgaste y resistencia química de los marcajes (inviolable)

• Flexibilidad en la velocidad de cambio y tipo de caracteres

• Integración en las líneas de producción existentes

• Reducción de costes

El gráfico izquierdo muestra un haz de láser continuo con potencia constante (W). El gráfico derecho explica el láser pulsado con una determinada potencia de pulso Ppico (W), Duración de pulso Tpulso (ns) y potencia media Pmedia (W).

Técnicas de marcaje por láser

Por regla general, se utilizan dos técnicas: marcaje por máscara con espejos galvánicos.

En el marcaje por máscara, se utiliza una máscara para proyectar una imagen en la superficie de trabajo. Un único pulso de láser es suficiente para marcar la imagen en el plástico (ver figura 4). Esta técnica limita la zona de superficie que se puede marcar a aproximadamente 10x30 mm. Las máscaras pueden ser costosas, sobre todo en las figuras complejas. La técnica permite altos índices de producción pero carece de flexibilidad.

La mayor flexibilidad se obtiene utilizando los espejos galvánicos en el marcaje por láser. En este caso el marcaje se realiza con la manipulación del haz. El haz láser se enfoca a través de los dos espejos controlados por láser (el sistema galvánico) y después se utiliza como si fuera un bolígrafo (ver la figura 5). De esta manera, se pueden marcar dibujos muy precisos con una alta calidad de imagen (resolución > 600 dpi), pero se pierde algo de velocidad en la producción en comparación con el marcaje por máscara.

En resumen, el marcaje por máscara es perfecto para altas velocidades de producción, mientras que en las aplicaciones que requieren una flexibilidad en la producción y una alta calidad de imagen, el marcaje a través de los espejos galvánicos es la técnica preferida.

Tipos de láser

Los sistemas convencionales de láser pulsados por lámpara han evolucionado hacia un láser pulsado por diodos más eficiente. Las lámparas son menos eficientes puesto que emiten la luz dentro de un amplio alcance de longitud de onda y sólo se puede utilizar un alcance estrecho en la excitación. En comparación, los diodos emiten luz láser con una única longitud de onda que puede excitar el medio láser selectivamente. Un láser pulsado por diodos es muchísimo más eficiente que uno pulsado por lámpara.

Los láseres pulsados por diodos proporcionan una mayor calidad de marcaje a mayores velocidades.

Estos láseres pueden producir un haz de láser más pequeño (30-40 mm frente a 80-100 pm en un sistema pulsado por lámpara), con lo que se dobla la energía por pulso.

foto
Figura 4. Marcaje por láser con una máscara.
foto
Figura 5. Marcaje por láser con espejos galvánicos.

Sistemas de láser

Hay una variedad de sistemas láser disponible para el marcaje por láser en los plásticos. La interacción con el polímero necesaria en cada aplicación afecta directamente a la elección del sistema láser.

La tabla 3 presenta una descripción general de los distintos sistemas de láser apropiados para el marcaje en plásticos y las reacciones que inducen.

Ventajas de los láseres CO2 comparados con los láseres Nd:YAG/YVO4:

• Mayor velocidad de marcaje

• Menor inversión.

Ventajas de los láseres Nd:YAG/YVO4 comparados con los láseres CO2:

• Más apropiados en series más pequeñas

• Mayor superficie de marcaje. El tamaño de la señal y el espesor de la línea son menores.

Aspectos de seguridad de los sistemas de marcaje por láser

Además de las prácticas de seguridad generales mencionadas para el uso de los láseres, DSM recomienda la utilización de una ventilación adecuada de la zona de trabajo y su entorno más inmediato. Durante el marcaje por láser, se puede pirolizar localmente la superficie del producto, lo que provoca una liberación de gases.
foto
* depende del gas de trabajo utilizado Nd. YAG: dopado con neodimio Y3Al5O12: Granate de Itrio-Aluminio

Nd. YVO4: Dopado con neodimio YVO: Óxido de Itrio-Vanadio

Tabla 3. Distintos sistemas de láser apropiados para el marcaje en plásticos y las reacciones que inducen.

Interacciones láser / polímero

La interacción entre la luz láser y los materiales polímeros depende de la formulación del material, la longitud de onda láser y los parámetros del láser. La absorción de la energía láser cambia las características ópti

Espumación: Una reacción de pirolisis en la muestra libera pequeñas cantidades de gas, lo que puede provocar una estructura de superficie con espumación. Una estructura irregular con espumación dispersa la luz, haciendo que la zona aparezca más clara (ver la figura 6).

Carbonización: En esta técnica, la superficie del plástico se descompone al absorber la luz láser debido a la alta intensidad del pulso láser. Esto resulta en la formación de carboncillo en el plástico, lo que crea una marca de color oscuro (ver la figura 7).

Fotorreducción (marcaje en frío): Los marcajes oscuros también se pueden obtener a través de la reducción de TiO2. Esto produce una marca láser "debajo de la piel” del plástico pero sin afectar a la superficie. La técnica (ver la figura 8) es apropiada para los plásticos de colores claros donde se incluye TiO2 (dióxido de titanio, un pigmento blanco fuerte) en el paquete de pigmentos.

Grabado: El grabado de la superficie se obtiene cuando el plástico absorbe una cantidad de luz láser muy alta, lo que un corte relativamente profundo en el plástico (ver la figura 9). Los daños en la superficie siempre son evidentes y el contraste es generalmente pobre. El grabado se suele utilizar cuando se requiere el marcaje indeleble para la identificación, información técnica o etiquetado. Esta técnica no es apropiada en el marcaje decorativo y se utiliza principalmente en los metales.

Ablación: La ablación implica la eliminación selectiva de una capa o lámina o esmalte con la luz láser. Utilizando esta técnica, se pueden obtener marcajes por láser multicolores (ver la figura 10). La desventaja de esta técnica es el paso añadido en la producción con la aplicación del esmalte o la lámina en el objeto que se va a marcar.

foto
Tabla 4. Ejemplos de sistemas de láser elegidos debido a interacciones especiales en algunas aplicaciones.
foto
Observación: el sustrato debe estar compuesto de polímero malo o no absorbente.

La espumación y la carbonización son las dos interacciones láser/polímero más utilizadas para el marcaje por láser en los materiales de DSM. Ambos procesos son térmicos y por lo tanto aparecen simultáneamente. En las categorías que se tienden a espumar (poliamida 6 y 46), es más difícil obtener marcajes oscuros. Por lo tanto, es más práctico marcarlas con marcajes claros y la coloración más oscura de estas categorías mejora el contraste del marcaje por láser. Las categorías de policarbonato (PC) y el teraftalato de polibutadieno (PBT) carbonizan muy fácilmente y son más apropiadas para obtener marcajes oscuros/negros pero no proporcionan marcajes claros especialmente en fondos oscuros. La coloración más clara de estas categorías aumentará el contraste del marcaje por láser. (Ver el encarte en el porfolio de DSM Engineering Plastics)

foto
Tabla 5. Influencias de los aditivos en la interacción de láser/polímero.

Parámetros de láser y su definición

Existen varios parámetros que pueden afectar a la calidad del marcaje láser. Éstos son principalmente la longitud de onda, la potencia, el tamaño del punto y la velocidad del marcaje. La combinación de estos parámetros influye mucho en el tipo de marca producido. En general: el efecto del marcaje se obtiene controlando la energía por pulso por superficie. Cuanta más energía produzca el láser, mayor será el impacto en el plástico.

Longitud de onda (l): Los materiales plásticos absorben la energía láser a distintas longitudes de onda según la composición del plástico. Las distintas longitudes de onda pueden provocar distintas interacciones láser / polímero

foto
Figura 11. Matriz de evaluación para los efectos de marcaje.

Investigación DSM, Láser pulsado por diodos 1064 nm Nd:YAG 300 dpixy

Potencia (p): Generalmente el haz láser no es continuo, sino pulsado: la energía almacenada se libera en explosiones muy cortas. La potencia del haz láser corresponde a la energía por pulso

Frecuencia (q): La frecuencia es el número de pulsos por segundo. Cuanto menor sea la frecuencia de la liberación de energía, mayores serán la potencia del pulso y el efecto en el plástico.

Tamaño de punto del haz láser: El diámetro del haz láser determina tanto la anchura de la línea como la potencia del proceso de marcaje. Al aumentar el tamaño de punto, aumenta la anchura de línea y la densidad de energía por superficie se reduce. Se puede influir en el tamaño de punto del láser, cambiando la distancia focal y el tipo de lente de campo plano utilizado.

Velocidad de marcaje (v): La velocidad de marcaje es la velocidad a la cual se mueve el haz láser por el plástico. Depende de la potencia, la frecuencia y el número de puntos por pulgada (dpi) que el láser marca en el plástico.

foto
Figura 12. Sistema de color CIE Lab
Distancia de línea (d): Las líneas se influyen las unas a las otras con la transferencia del calor según la distancia de separación de líneas y el tipo de polímero. El contraste de la línea marcada por láser se puede mejorar con ciclos de marcaje repetidos durante el proceso

Matriz de evaluación para el efecto de marcaje: Los parámetros de marcaje por láser se deben optimizar en cada tipo, categoría y color de polímero a marcar. Para esto, se utiliza una matriz de valoración para evaluar el efecto de marcaje en el material en varias combinaciones de parámetros (ver la figura 11)

La matriz da frecuencia al pulso (kHz) y corriente al diodo (%). El contraste del marcaje por láser se puede variar ajustando la velocidad de marcaje y la corriente del diodo. Al aumentar la frecuencia, y por tanto la velocidad de marcaje, se reduce la energía por pulso.

Contraste de imagen y gestión de colores

La calidad de la imagen se debe evaluar en las características más importantes, concretamente, el contraste, la nitidez, la uniformidad y la interacción con la superficie (resistencia a rayones). El contraste se puede evaluar utilizando el cambio de color entre la matriz y la marca de láser aplicada. El sistema de determinación de color CIE Lab (ver la figura 12) ha demostrado ser una herramienta útil para evaluar los niveles de contraste. CIE Lab asigna a cada color un conjunto único de tres coordenadas en el "espacio de color" L, a y b.

L representa lo claro u oscuro que es un color (L=100 es blanco; L=0 es negro) y funciona en el eje z. El valor “a” representa verde/rojo (-50=verde; +50=rojo) en el eje x, y el valor "b" representa azul/amarillo (-50=azul; +50=amarillo) en el eje y.

El cambio de color expresado en DEab incorpora los valores L, a y b y es una medida comparativa del objetivo en comparación con la referencia. En términos de contraste. DE expresa la diferencia de color entre el marcaje láser y el fondo. Cuanto mayor sea el valor, mayor será el contraste de la marca en comparación

con la matriz.

Para más información sobre proveedores de

sistemas de láser, contactar con el DSM Laser Center, Holanda.

VÍDEOS DESTACADOS

TOP PRODUCTS

ENLACES DESTACADOS

ExposólidosAndaltec

ÚLTIMAS NOTICIAS

OPINIÓN

OTRAS SECCIONES

SERVICIOS