Especificaciones y Aplicaciones
El siguiente artículo revisa la tecnología básica detrás de los sistemas de marcado láser de Dióxido de Carbono (CO₂) y láser de Fibra, dos de los grabadores láser más populares utilizados para fabricar placas de tampografía en los Estados Unidos. Las principales diferencias entre estos sistemas láser son el mantenimiento requerido, el tamaño del punto y la capacidad de ablación (grabado) de distintos materiales.
Mantenimiento. El láser YAG bombeado por diodo tiene una barra de diodos que se calienta y puede deformarse después de aproximadamente 10.000 horas de uso, lo que requiere un reemplazo costoso. El láser CO₂ tampoco requiere una cantidad significativa de mantenimiento. Un tipo de YAG, el láser de fibra de Ytterbio, no tiene barra de diodos y por lo tanto no requiere mantenimiento durante hasta 70.000 horas de operación.
Tamaño del punto. La longitud de onda de un láser YAG (1,064 micrones) es exactamente diez veces menor que la longitud de onda del láser CO₂ (10,64 micrones) y, por lo tanto, produce un tamaño de punto diez veces más pequeño que el de un CO₂ (en la misma configuración). Los láseres YAG pueden proporcionar gráficos más detallados que los láseres CO₂ cuando ambos tipos se utilizan en la misma configuración de máquina.
Materiales. Los grabadores láser YAG son ideales para metales, pero sus longitudes de onda no son absorbidas fácilmente por muchos otros materiales (madera, acrílico, plásticos, telas, etc.). Un haz de láser CO₂ tiene mucha más flexibilidad y puede ser absorbido fácilmente por muchos materiales orgánicos como madera, papel, plásticos, vidrio, textiles y caucho, pero no es absorbido fácilmente por el metal.
El siguiente artículo analiza con mayor detalle estas especificaciones de los sistemas de marcado láser de Dióxido de Carbono y Fibra, incluyendo aplicaciones, características ópticas, longitudes de onda de ambos láseres, así como componentes, conmutación Q (Q-switching), potencia y campo de marcado del sistema láser YAG.
Los láseres de Fibra y Dióxido de Carbono (CO₂) emiten radiación en diferentes longitudes de onda. Fundamentalmente, la longitud de onda de 1,064 micrones del láser de fibra es un orden de magnitud menor que la radiación de 10,6 micrones de un láser CO₂. En el procesamiento de materiales, la longitud de onda más corta del láser de fibra se acopla mejor con metales, mientras que la longitud de onda más larga del CO₂ es más adecuada para cortar plásticos, cerámicas y otros materiales orgánicos. El espectro electromagnético muestra dónde se ubican las emisiones de los láseres de fibra y CO₂ en relación con otros láseres y fuentes de radiación.
La longitud de onda fundamental del láser de fibra es 1,064 micrones, mientras que el láser CO₂ emite a 10,6 micrones. La mayoría de los sistemas industriales de marcado láser utilizan la salida fundamental de estos láseres. La longitud de onda del láser de fibra también puede desplazarse hacia el verde (0,355 micrones) o hacia el ultravioleta (0,266 micrones) mediante óptica no lineal. Estas longitudes de onda más cortas se están adoptando actualmente para aplicaciones de micro-marcado en una amplia gama de materiales.
La longitud de onda más corta del láser de fibra se acopla mejor con los metales que la del láser CO₂. Sin embargo, para muchas aplicaciones de marcado en plásticos o superficies pintadas, el láser CO₂ es igualmente práctico que el láser de fibra y puede ser algo menos costoso. Los haces del láser de fibra también tienen la ventaja de enfocarse en un diámetro de punto más pequeño, con mayor densidad de potencia. Como resultado, producen una zona afectada por el calor más pequeña y menor distorsión térmica. Además, la energía del láser de fibra puede transmitirse mediante un cable de fibra óptica, lo que permite mayor flexibilidad en el entorno de fábrica.
En general, los láseres de fibra con longitud de onda fundamental de 1,064 son los más adecuados para el marcado de metales, mientras que el láser CO₂ es más adecuado para plásticos, superficies pintadas o materiales orgánicos. Este es el estándar global.
Los marcadores láser se utilizan para producir caracteres alfanuméricos, códigos de barras, números de serie, logotipos, ilustraciones y otras imágenes gráficas utilizando un proceso térmico sin contacto. Las características del haz de los marcadores láser de fibra se clasifican según su estructura de modo. Para aplicaciones que requieren mayor potencia promedio, la salida multimodo es la más deseable. Los diámetros de punto en salida multimodo suelen estar entre 30 y 60 micrones.
Los sistemas TEM00 o DPSS (End Pumped by Diode Array) utilizan potencias mucho más bajas para lograr resultados comparables en comparación con los sistemas bombeados por lámpara, debido a sus características superiores del haz. La entrega del haz puede realizarse de forma fija o mediante fibra óptica desde el resonador hasta el sistema de escaneo.
Nota: Este es el sistema seguido por las principales empresas a nivel mundial. La lámpara de flash utilizada es una lámpara de criptón.
Cuando se aplica una señal de RF al transductor, una onda acústica se proyecta a través del cuarzo, comprimiendo momentáneamente el material y cambiando su índice de refracción. Parte de la luz que atraviesa el Q-switch se difracta hacia un pequeño ángulo y momentáneamente no alcanza el espejo posterior, lo que provoca que la acción láser se detenga.
Durante esta fase, los átomos en la barra láser acumulan energía, que se almacena hasta que la señal RF se elimina. La explosión resultante de energía láser puede alcanzar varios kilovatios de potencia pico, significativamente más que la potencia que el láser emitiría sin el Q-switch.
El Q-switching es el método más común para producir anchos de pulso muy cortos y potencias pico muy altas a partir de un láser de fibra de potencia relativamente baja. A nivel global, los Q-switches suelen operar en frecuencias de 1 a 50 kHz.
Un marcador láser de fibra de onda continua (CW) clasificado en 50 vatios produce la misma potencia promedio que una bombilla de 50 vatios. La diferencia es que la bombilla proyecta luz blanca en todas las longitudes de onda y en todas las direcciones. La emisión del láser es coherente (viaja en una sola dirección), monocromática (una sola longitud de onda) y en fase.
La densidad de potencia, expresada en vatios/cm², indica qué tan concentrada está la energía láser en el punto de enfoque. Un láser que produce 50 vatios en un punto de 0,005 pulgadas de diámetro generará una densidad de potencia considerablemente mayor que el mismo láser con un diámetro de punto de 0,500 pulgadas.
La potencia efectiva de marcado del láser es la densidad de potencia neta en el punto de enfoque, es decir, donde se logra la mejor marca láser.
La salida del marcador láser generalmente se dirige mediante espejos móviles que operan en los planos X y Y. Cada conjunto de espejos XY está conectado de forma independiente a controladores de galvanómetro (motores) altamente precisos, repetibles y extremadamente rápidos.
La dirección precisa del haz y, por lo tanto, la marca láser en los ejes X e Y, está controlada por el software y la electrónica de control.
El método más común para enfocar el haz láser en un marcador láser es después de posicionarlo mediante los espejos galvanométricos XY, utilizando una lente de campo plano.
Los conjuntos típicos de lentes de campo plano proporcionan áreas de marcado que van desde 60 mm hasta más de 300 mm de diámetro. Estas lentes ofrecen un área de marcado relativamente grande y permiten realizar marcados láser rápidos, de alta calidad y con imágenes sin distorsión en una amplia gama de metales y otros materiales.
Extractos tomados de “Rita Pad Inc.”
http://www.ritapad.com/lasertechnologies.htm
20 de junio de 2005.
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