Introducción al marcaje por láser
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.
El principio
[Láser = Amplificación de la luz a través de una emisión estimulada de radiación]
Generación de luz láser
Láser pulsado
• 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
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 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.
Sistemas de 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
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
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.
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)
Parámetros de láser y su definición
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
Investigación DSM, Láser pulsado por diodos 1064 nm Nd:YAG 300 dpixy
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.
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
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.