¿Qué se puede marcar con un láser y cómo se hace?

Sería genial si alguien pudiera crear un "libro de recetas" que ofreciera configuraciones específicas para el marcado láser de cualquier tipo de material en cualquier tipo o marca de sistema de marcado láser. Buena suerte encontrando eso. Diferentes sistemas de marcado láser de diferentes fabricantes pueden producir resultados diferentes en el mismo material por varias razones. Esas razones pueden incluir la longitud de onda del láser, la calidad del rayo láser, el tamaño del punto del láser enfocado, el ancho del pulso del láser, el rango de frecuencia del pulso, las unidades de calibración del láser y las capacidades del software de marcado.

 

En lugar de tratar de definir configuraciones de láser específicas para tipos de materiales específicos, podría ser mejor tratar de comprender qué efecto tienen las diferentes configuraciones de láser en esos materiales.

 

Hace unos años escribí un par de artículos sobre marcado láser que fueron publicados por Photonics Online. Si es nuevo en el marcado láser, leer esos artículos puede ser un buen lugar para comenzar: https://www.photonicsonline.com/doc/introduction-to-fiber-laser-marking-0001

 

Con pocas excepciones, los sistemas de marcado láser son láseres de fibra de 1064 nm o láseres de CO2 de 10 600 nm. Los láseres de fibra funcionan en todos los metales, enchapados, pintados o desnudos, y algunos no metales, como algunos tipos de plásticos. Los láseres de CO2 funcionan en madera, vidrio, materiales orgánicos, la mayoría de los plásticos y superficies pintadas. Existe cierta superposición entre el tipo de láser y el material pero, en términos generales, un tipo de láser es muy superior al otro para un material en particular.

 

Las aplicaciones de láser de CO2 son un poco más fáciles de discutir, así que empecemos por ahí. La mayoría de los sistemas de marcado de CO2 utilizan láseres de CO2 de haz sellado y excitados por RF. Estos láseres generalmente están optimizados para una frecuencia de pulso de 5 KHz y la mayoría de los usuarios nunca se desvían de eso. En Jimani a veces nos desviamos de esa frecuencia de pulso de CO2 de 5 KHz, especialmente para marcar vidrio, pero la mayoría de los usuarios no lo hacen. El ajuste de la potencia de salida del láser y la velocidad de escaneo sobre el trabajo son las configuraciones principales que se cambian para el marcado con CO2. El tamaño del punto de láser enfocado es una función de la distancia focal de la lente y si se usa o no un telescopio de expansión de haz. Una lente de mayor distancia focal dará como resultado un punto enfocado más grande.

 

Las aplicaciones de láser de fibra pueden ser un poco más complejas de marcar porque hay más variables con las que trabajar. Las configuraciones variables típicas incluyen frecuencia de pulso, potencia de salida del láser, velocidad de marcado y, si su láser de fibra tiene capacidades de ancho de pulso variable, ancho de pulso. Es posible que la configuración de una lente de distancia focal no funcione en absoluto con una lente de una distancia focal diferente. En lugar de tratar de encontrar ese libro de recetas de configuración de láser inexistente, creo que es mejor que los usuarios entiendan qué hacen las diferentes configuraciones de láser y cómo afectan el marcado.

 

Ancho de pulso

 

Si se configura un láser de fibra para una frecuencia de pulso de 50 KHz y se dibuja una línea de 1 pulgada de largo a una velocidad de 1 pulgada por segundo, entonces el láser aplicará 50,000 pulsos de láser individuales cuando se dibuje esa línea. Todos los láseres de fibra tienen una limitación de energía de pulso máxima permitida para evitar daños internos al láser, normalmente alrededor de 1 mj de energía por pulso individual. Un láser de fibra de 50 vatios, por ejemplo, alcanzará ese 1 mj de energía a una frecuencia de pulso de aproximadamente 50 KHz. Si el software de control de marcado y el firmware del láser permiten frecuencias de pulso inferiores a 50 Khz en el ejemplo de láser anterior, la energía por pulso seguirá siendo de 1 mj por pulso individual, pero la potencia promedio disminuirá porque hay menos pulsos por segundo. Si la frecuencia del pulso aumenta por encima de 50 KHz, la energía por pulso disminuirá por pulso individual aunque, se aplicarán más pulsos de láser por segundo a la pieza que se está marcando y eso generalmente da como resultado que se aplique más calor a la pieza. La eliminación máxima de material ocurrirá cuando la frecuencia del pulso se establezca de modo que el láser produzca la energía máxima (1 mj) por pulso. La siguiente tabla puede variar un poco entre diferentes modelos de láseres de diferentes fabricantes, pero en general es precisa.

 

Clasificación láser Frecuencia de pulso máxima para producir energía máxima de 1 mj por pulso

 

20 vatios 20 KHz

 

30 vatios 30 KHz

 

50 vatios 50 KHz

 

100 vatios 100 KHz

 

Es importante entender que, independientemente de la potencia nominal del láser, todos ellos están limitados a 1 mj de energía por pulso. Un láser de 100 vatios emite 5 veces más pulsos de 1 mj por segundo que un láser de 20 vatios.

 

La tabla anterior se aplica a láseres de ancho de pulso fijo con un ancho de pulso de alrededor de 100 ns por pulso. Todos los láseres de ancho de pulso variable vienen con un gráfico que proporciona la frecuencia óptima para la energía de pulso máxima para cada ancho de pulso por separado.

 

Potencia de salida del láser

 

El control de la potencia de salida del láser es una cuestión de controlar la fuerza con la que se "bombea" el láser. Menos bombeo significa menos energía de salida por pulso de láser individual. Un bombeo más alto da como resultado más energía de salida por pulso de láser individual hasta que se alcanza el máximo permitido de energía de pulso de 1 mj.

 

Velocidad de marcado

 

La velocidad a la que los espejos de los galvanómetros de exploración mueven el rayo láser sobre la pieza de trabajo es la velocidad de marcado. Las velocidades de marcado más rápidas le dan a la luz láser menos tiempo para trabajar en la pieza y las velocidades de marcado más lentas permiten que el láser tenga más tiempo para trabajar en la pieza. Existen algunos límites prácticos para las velocidades de marcado útiles. Aunque los galvanómetros pueden moverse a velocidades muy altas al marcar una línea recta larga, la mayoría de las aplicaciones de marcado no consisten en líneas rectas largas. La mayoría de las marcas en realidad consisten en muchas líneas cortas, como las líneas de relleno en una letra de 0,25 pulgadas de alto. Para cada línea que se está marcando, los galvos deben posicionar el rayo láser en el punto de inicio de la línea, hacer una pausa y permitir un tiempo de estabilización, comenzar a acelerar y dibujar la línea, comience a reducir la velocidad cerca del final de la línea y luego deténgase al final de la línea y vuelva a colocarse al comienzo de la siguiente línea. Dado que la mayoría de estas líneas van a ser muy cortas, no importa qué tan rápido se ordene que se muevan los galvos, solo pueden acelerar tan rápido antes de que necesiten comenzar a desacelerar nuevamente. La velocidad útil de marcado en la mayoría de los sistemas galvo se limitará a 40 IPS más o menos y más allá de eso, el tiempo de marcado no disminuirá.

Ancho de pulso

 

El ancho de pulso se puede describir con bastante facilidad. Los anchos de pulso cortos permiten que el láser se comporte como un bisturí y los anchos de pulso largos permiten que el láser se comporte como un cuchillo de carnicero. No tendrá mucho éxito marcando .005” de profundidad en un arma de fuego con un ancho de pulso muy corto ni tendrá mucho éxito haciendo marcas delicadas en material de película delgada con un ancho de pulso largo.

 

Técnicas de marcado

 

En términos generales, existen tres técnicas principales de marcado que se pueden realizar con un láser de fibra:

 

Ablación

 

Grabado

 

Marcado de manchas (frecuentemente denominado recocido)

 

La ablación con láser es la eliminación o vaporización de material de la superficie de algún material o sustrato. Idealmente, la luz láser se absorbe en la superficie de la pieza y hay una penetración mínima en la pieza. Algunos ejemplos de marcado por ablación serían eliminar el anodizado de la superficie de un sustrato de aluminio o eliminar la película metálica en el exterior de una pieza de plástico revestido. En ambos ejemplos, el objetivo es lograr una marca de contraste en la superficie de la pieza sin grabarla (como se ve a continuación).

 

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La configuración del láser que se podría usar para el marcado por ablación no es la misma que se usaría para el grabado. Una velocidad de marcado más rápida (velocidad con la que los espejos de escaneo mueven el rayo láser sobre la superficie de la pieza) y una potencia de salida del láser más baja son típicamente lo que se usa para el marcado por ablación. Si se aplica demasiada potencia láser durante demasiado tiempo, el resultado será la eliminación de material de los sustratos metálicos y la fusión en sustratos de plástico. Algunos materiales son tan sensibles que se necesitan anchos de pulso de láser más cortos. El ancho de pulso es la cantidad de tiempo que el láser está encendido para cada pulso de láser. Recuerde, el láser marca líneas haciendo una serie de pulsos superpuestos en lugar de emitir un haz de luz continuo. Los láseres de fibra de ancho de pulso variable permiten el control del tiempo de cada pulso láser y son capaces de producir pulsos láser muy cortos. Dado que la potencia es igual a la energía/tiempo, acortar el tiempo de cada pulso láser puede aumentar la potencia máxima aplicada a la superficie del material por el láser y disminuir el tiempo que la energía del láser se aplica al material. La combinación de potencia máxima alta y ancho de pulso corto es ideal para el marcado de tipo ablación.

 

No pretendo sugerir que los láseres de fibra de ancho de pulso variable sean necesarios para el marcado por ablación en todos los materiales. Un láser de fibra de ancho de pulso fijo proporcionará un ancho de pulso láser de 100 a 120 nanosegundos que manejará la gran mayoría de las aplicaciones de ablación, además de proporcionar un ancho de pulso láser lo suficientemente largo para otros tipos de marcado.

 

Grabado láser: algunos productos o aplicaciones requieren que el marcado penetre más profundamente en el material. Esto normalmente se limita a los sustratos de metal, ya que el grabado más profundo en los sustratos de plástico generalmente da como resultado una cantidad inaceptable de fusión. El grabado láser más profundo es útil cuando la superficie de la pieza está sujeta a desgaste o abrasión o si la marca grabada requiere relleno de color. Algunas aplicaciones, como el marcado de armas de fuego, tienen una especificación de profundidad para que el marcado sea difícil de quitar.

 

El aumento de la potencia del láser y las velocidades de marcado más bajas son las marcas registradas del grabado láser profundo. Nuestra experiencia en Jimani es que el grabado láser más profundo se logra mejor con velocidades de marcado de alrededor de 5 a 10 pulgadas/segundo utilizando varias pasadas para eliminar rebanadas delgadas de material hasta lograr la profundidad deseada. El uso de velocidades de marcado muy lentas para eliminar una gran cantidad de material en una sola pasada dará como resultado un fondo con escoria en el canal del grabado y una acumulación de escoria en los bordes del grabado. Múltiples pases de láser con diferentes ángulos de llenado a velocidades más altas permiten una mayor eliminación de material y canales y bordes más limpios. Más pasadas de láser dan como resultado un marcado más profundo hasta que el rayo láser comienza a desenfocarse o el material vaporizado no puede escapar de un canal muy estrecho.

 

Comencé un artículo anterior afirmando que el marcado con láser es como quemar hojas con una lupa. Si la hoja no está en el punto focal de la lente de la lupa, entonces no hay una concentración de luz solar lo suficientemente alta como para incendiar la hoja. Lo mismo ocurre con el grabado láser. Si un sustrato está lo suficientemente lejos del punto focal de la lente de un sistema de marcado/grabado láser, entonces no hay una concentración lo suficientemente alta de luz láser para quemar o vaporizar el material. Esa distancia define la profundidad de enfoque del sistema de marcado láser y es una combinación de la distancia focal de la lente y la calidad del rayo láser que entra en esa lente. Se pueden lograr profundidades de grabado en metal de, por ejemplo, 0,010 a 0,015 pulgadas con un solo posicionamiento de la lente, pero más allá de eso, sería mejor cambiar un poco la posición de la lente. he grabado. 250 pulgadas más en un sustrato de acero (como se ve a continuación), pero eso se logró reposicionando la lente muchas veces y tomó mucho tiempo. Desde un punto de vista práctico, un sistema de láser de fibra diseñado para marcado y grabado de propósito general es probablemente la herramienta incorrecta para esto.

 

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La limitación para el grabado profundo en metal suele ser el ancho del grabado. Imagine que el grabado consta de una línea de texto con caracteres de 0,060 pulgadas de alto. El ancho de línea de cada carácter va a ser bastante estrecho (digamos, 0,010 pulgadas más o menos) y, a medida que el grabado se vuelve más profundo, el material recién vaporizado tiende a acumularse en las paredes laterales de la canaleta grabada en lugar de salir volando de la canaleta. Los sistemas de corte por láser solucionan este problema al dirigir chorros de aire de alta velocidad a través de boquillas ubicadas cerca del centro de la lente de enfoque, pero esta técnica no funciona con las lentes F theta que se usan en los sistemas de marcado por láser de haz dirigido. El límite práctico para anchos de línea estrechos de grabado profundo es de 0,020 pulgadas más o menos.

 

Marcado de manchas: si el tamaño del punto del rayo láser enfocado se hace lo suficientemente grande en ciertos tipos de materiales, el láser calentará el material en lugar de eliminarlo por ablación o grabarlo. Con materiales como acero inoxidable, titanio y cromo duro, el calor del rayo láser hará que se forme una capa de óxido. Varias pasadas del láser sobre el material oscurecerán la capa de óxido o permitirán variaciones de color sutiles. Si se utiliza un láser de fibra de ancho de pulso variable, experimentar con el ancho de pulso, la potencia, la velocidad de marcado, la densidad de relleno y la frecuencia de pulso del láser puede producir una variedad de tonos de color que van desde el negro, el azul, el rojo y el verde. El marcado de color suena fascinante, pero viene con su propio conjunto de desafíos. Diferentes materiales pueden producir resultados muy diferentes y hay infinitas configuraciones de combinación que se pueden ajustar.

 

La mayoría de las marcas de manchas se realizan simplemente para obtener una marca oscura no penetrante en los materiales adecuados que se mencionaron anteriormente. El marcado de manchas es atractivo, permanente y no contaminante. Es una técnica muy utilizada en la identificación de instrumentos o herramientas médicas porque no se utilizan tintas, pinturas ni productos químicos. Las marcas de manchas tienen micras de penetración en la superficie del sustrato y, aunque la marca no se quitará con el tiempo o la manipulación, se puede lijar o desgastar. No es una buena técnica para piezas que están marcadas en superficies de “desgaste”.

 

El secreto para un buen marcado de manchas es tener el tamaño de punto enfocado adecuado del láser. La mayoría de los sistemas de marcado por láser de fibra tienen ópticas de emisión de haz que están diseñadas para enfocar el láser en un punto muy pequeño; demasiado pequeño para marcar con manchas. Una técnica para aumentar el tamaño del punto láser es simplemente alejar ligeramente el sustrato del punto focal de la lente. Esta técnica funciona bien para superficies planas, aunque "fuera de foco" puede ser un poco subjetivo. La técnica de desenfoque no funciona bien con piezas redondas o redondeadas. A medida que el rayo desenfocado se mueve alrededor del radio, comienza a volver a enfocarse o se desenfoca más. La solución ideal es hacer que el rayo láser se enfoque en el tamaño de punto correcto en el punto focal de la lente. Usando esta técnica, el láser mantendrá el tamaño de punto correcto en toda la profundidad de enfoque de la lente. En Jimani logramos esto ópticamente pasando el rayo láser a través de un expansor de rayo reversible antes de que llegue a la lente de enfoque. Al “descolimar” el rayo láser podemos aumentar el tamaño del punto enfocado así como aumentar la profundidad de enfoque a través de la lente. Esto agrega un poco de gasto al sistema, pero ese gasto está totalmente justificado por el rendimiento mejorado de las marcas de manchas.

 

Marcado en color: el marcado en color es una cuestión de controlar el grosor de una capa de óxido de marca de mancha y se logra mejor con un láser MOPA de ancho de pulso variable. Hay muchas imágenes bonitas de partes marcadas con color en Internet, pero no hay información sobre las 5 o 6 horas de tiempo de configuración que se necesitaron para marcar la configuración de esa parte y las 5 o 6 horas que estarán involucradas en la siguiente parte. . El marcado de color es un proceso temperamental y laborioso. No realizamos ninguna marca de color en la parte del taller de trabajo de nuestro negocio porque nadie está dispuesto a pagar por todo el tiempo de configuración involucrado en la creación de una marca de color en una pieza.