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Tecnologías de codificación láser
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Los láseres son una manera muy rápida de imprimir códigos permanentes de alta calidad. Sin usar consumibles,
su costo de propiedad es extremadamente bajo. En líneas de producción de volumen medio, por ejemplo, la
recuperación de la inversión puede ser inferior a tres años.
Marcas permanentes de alta calidad
Los láseres funcionan mediante ablación y luego grabación del sustrato. La ablación elimina material de la
zona a marcar, tal como una capa de metal o de tinta en un paquete de impresos. Luego graban un surco fino en
este parche nuevo. Debido a que la marca es indeleble, son perfectos para la protección de la marca o donde el
código necesita sobrevivir durante la vida del producto.
Las aplicaciones típicas de codificación láser son la impresión de texto legible tanto en envases primarios y
secundarios, y códigos de barras en las cajas de cartón. Se utilizan en una amplia gama de industrias, desde
bebidas, farmacéutica y snacks de alimentos, hasta la producción de metales industriales. Los láseres pueden
codificar sobre vidrio, plásticos (tales como PET, poliestireno y polipropileno), metal y cartón.
Los láseres a menudo son considerados como una nueva tecnología, pero de hecho han estado en existencia más de
lo que mucha gente piensa. La teoría de los láseres se sugirió en 1957 y el primer láser fue construido en
1960. Mucho antes de eso, a finales del siglo XIX, Einstein produjo ecuaciones que describen el principal
mecanismo físico por el cual se produce la acción del láser, aunque esto era desconocido para él en aquel
tiempo.
Muchas empresas e instituciones del gobierno se interesaron en los láseres y comenzaron a desarrollarlos por su
propia cuenta, sin ninguna aplicación específica en mente. Como resultado, los láseres llegaron a conocerse
como “una solución en busca de un problema”. Hoy en día, los láseres se desarrollan para tareas específicas y
sus características se han optimizado para cumplir con los requisitos de la aplicación.
Los láseres probablemente tienen una de las más amplias gamas de aplicaciones que cualquier otro tipo de
dispositivo, incluyendo el corte y la soldadura de metales, la cirugía, la lectura y transmisión de datos, la
holografía, la medición precisa de parámetros físicos, pruebas no destructivas, y la codificación y el marcaje
de productos en la línea de producción.
Los sistemas de marcado láser llegaron al mercado hace unos 30 años. Estos primeros sistemas empleaban láseres
científicos y no fueron diseñados para hacer frente a ambientes polvorientos, húmedos y duros que se encuentran
en muchas fábricas. Tampoco fueron diseñados para un funcionamiento continuo 24 horas al día, 7 días a la
semana, algo que damos por sentado hoy en día.
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Figura: Ejemplos de dispositivos codificadores
Figura: Codificador láser
Figura: Ejemplos de grabado láser sobre diferentes materiales
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El objetivo inicial era, por tanto, “endurecer” estos sistemas en lugar de desarrollar nuevos formatos tecnológicos
para hacer frente a los cambiantes requerimientos del mercado.
Todos los láseres comparten los mismos principios básicos, pero se diferencian por la forma en que los productos
están diseñados, por los materiales utilizados y por las características del haz de salida del láser.
Componentes del láser
Hay tres componentes principales en cualquier láser:
El medio láser: puede ser un gas tal como el dióxido de carbono (CO2), un sólido tal como el
neodimio: itrio-aluminio-granate (Nd:YAG) o un líquido tal como un colorante. Una de las propiedades de un medio
láser es que puede almacenar energía de una manera específica conocida como inversión de población. El medio
láser emitirá luz (fotones) como una manera de eliminar el exceso de energía almacenada.
Figura: Diagrama de láser de gas
El mecanismo de excitación: es el mecanismo por el cual se aplica la energía para excitar las
partículas (átomos o moléculas) del medio activo láser. La energía puede ser aplicada en forma de corriente
eléctrica, descarga eléctrica, fuente de luz, etc.
El resonador óptico: es el sistema que extrae la energía almacenada del medio de acción láser en forma
de un haz láser. En su forma más simple, el resonador óptico consta de un espejo en cada extremo del medio de acción
láser. Estos espejos son paralelos entre sí, de modo que los fotones que viajan a lo largo del eje de los dos
espejos se reflejan continuamente hacia atrás y hacia delante (resuenan) entre los espejos. Un espejo es 100%
reflectante; el otro es parcialmente reflectante, de modo que transmite algunos de los fotones que inciden sobre el
mismo.
Proceso de generación del haz láser
A medida que los fotones pasan a través del medio láser, estos hacen que las partículas excitadas del medio láser
liberen el exceso de energía en forma de otros fotones por un proceso llamado emisión estimulada.
Estos nuevos fotones son idénticos a los fotones originales que causaron la emisión estimulada. Son del mismo color
(longitud de onda), viajan en la misma dirección y están en fase. Los fotones transmitidos por el espejo
parcialmente reflectante forman el haz láser. Los fotones restantes se reflejan de vuelta a través del medio láser
para continuar el proceso de emisión estimulada.
El proceso de marcado
El marcado con láser se consigue mediante la eliminación de material del sustrato o por el cambio de la superficie
del sustrato. La consideración más importante es qué tan bien el material que está siendo codificado absorbe el haz
láser. Esto puede determinar el tipo de láser que se utiliza, ya que diferentes longitudes de onda pueden tener
diferentes características de absorción. Si el haz láser se transmite o se refleja, entonces la codificación se hace
más difícil o incluso imposible.
Para obtener resultados óptimos, el rayo láser tiene que ser absorbido en las pocas micras de la superficie del
material, de modo que suficiente densidad de energía se produzca para modificar la superficie por uno de los tres
procesos siguientes:
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Eliminación de revestimiento: el láser es absorbido por el revestimiento de la superficie y lo vaporiza para
revelar un sustrato que contraste. Un ejemplo de este proceso es la eliminación de tinta de color impresa sobre
papel blanco o tarjeta.
-
Grabado: el láser vaporiza el material de la superficie del sustrato sin producir ningún cambio de color
(este es el proceso que se produce en el marcado láser de PET). La marca resultante es similar a una impresión en
relieve.
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Termoquímica: el láser cambia el material mediante su calentamiento a una temperatura suficientemente alta
para romper los enlaces moleculares. El nuevo material formado por este proceso puede tener un color diferente,
produciendo así una marca perceptible.
Clasificación de sistemas de marcado láser
La mayoría de los sistemas de marcado láser utilizan uno de dos tipos de láser:
CO2: utiliza una mezcla de gases que son excitados por una descarga eléctrica. Estos láseres
tienen una salida infrarroja de longitud de onda de 10,6 micras.
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Nd:YAG: es un cristal que comúnmente es excitado por una lámpara de flash (una fuente de luz
intensa) o por un láser de diodo. Se produce una salida láser infrarroja de longitud de onda de 1,06 micras.
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Hay tres tecnologías de sistemas distintos:
- Láser de rayo dirigido
- Láser de máscara
- Láser de matriz de puntos
Láser de rayo dirigido
Estos sistemas también son conocidos como láseres tipo lapicera porque “escriben” de forma similar a como se usa una
lapicera. Los primeros sistemas basados en láser pulsado de Nd:YAG se introdujeron en 1969. Los sistemas que utilizan
láseres de onda continua (CW) de CO2 no se introdujeron hasta principios de 1980.
Una lente se utiliza para enfocar el haz láser a un punto pequeño en la superficie del producto estático. Dos espejos
movidos por un galvanómetro desplazan el punto sobre la superficie del producto para dibujar la marca o la imagen
requerida. El rayo láser se activa cuando se requiere la codificación y se apaga cuando no se la requiere, de la
misma forma que una pluma se mueve sobre el papel y se levanta cuando la escritura se ha completado. La rotación de
los dos espejos impulsados por el galvanómetro es controlada por un ordenador. Las computadoras se basan a menudo en
PC de escritorio y aceptan la información de marcado desde una amplia gama de paquetes de software que incluyen
procesadores de texto, sistemas CAD, bases de datos, etc.
Los sistemas de guiado de haz son capaces de producir marcas de alta calidad en grandes áreas, hasta 160 × 160 mm.
Debido al tamaño de la zona a marcar, se utilizan lentes especiales de campo plano. Esto es para evitar la
degradación de la calidad de impresión que ocurriría de otra manera cuando el marcado se mueve progresivamente más
lejos de la línea central de la lente, haciendo que la posición óptima del punto focal se desplace lejos de la
superficie a marcar.
Dado que estos sistemas sólo dibujan líneas donde se requiere, hacen un uso muy eficiente del haz láser. Esto permite
el uso de láseres de CO2 de baja potencia (10–20 W), refrigerados por aire, en sistemas de precios
relativamente bajos.
Con el desarrollo de la tecnología, el aumento de las velocidades del galvanómetro y las reducciones en el costo de
la potencia de cálculo, nuevos sistemas se van poniendo en marcha que permiten codificar productos en movimiento a
una velocidad relativamente baja. Sin embargo, incluso a bajas velocidades, el área de marcado se reduce en gran
medida, las esquinas se vuelven redondeadas, no pueden producirse caracteres en negrita y las capacidades de fuentes
y gráficos se vuelven muy limitadas.
Láser de máscara
Introducidos por primera vez en la década de 1970, estos sistemas utilizan un haz láser pulsado con una gran área de
sección transversal, típicamente 25 × 28 mm. El haz ilumina una máscara de metal fino en la cual se ha grabado la
imagen o el código requerido. La luz del láser que golpea el metal de la máscara se refleja y se pierde. La luz que
pasa a través de la máscara es recogida por una lente y transmitida sobre el producto. La imagen generada por este
proceso replica incluso los detalles más finos del patrón de grabado en la máscara. El tamaño de la imagen o el
código se puede ajustar eligiendo las posiciones adecuadas para la máscara, la lente y el producto.
Los láseres son predominantemente del tipo TEA CO2 (Transversely Excited, Atmospheric pressure, o
excitado transversalmente, a presión atmosférica), que tienen potencias de pico elevadas (2–12 MW) y corta duración
de pulso (3–6 µs). Estas dos características, más el hecho de que toda la imagen se marca a la vez, dan a los láseres
de máscara su capacidad de codificación única.
Estos pueden codificar productos que se mueven a velocidades muy altas (mayores a 500 m/min), lo que es ideal para
aplicaciones de codificación en líneas de embotellado de alta velocidad, por ejemplo, en cervecerías. Los láseres
pueden producir energía suficiente para codificar pequeñas fechas de caducidad y números de lote, a razón de 30
productos por segundo.
Códigos de 3 a 5 dígitos más pequeños se pueden imprimir a velocidades de hasta 100 productos por segundo. Debido a
que el código está grabado en máscaras de metal, el formato de código es fijo y normalmente sólo se puede cambiar
mediante la adaptación de una nueva máscara. Esta limitación puede superarse poniendo información sobre el código en
discos giratorios controlados por computadora para proporcionar en forma automatizada la hora, la fecha y la
codificación numérica. Sin embargo, los formatos no se pueden cambiar rápidamente, y las unidades de disco añaden
costos significativos a un sistema ya caro.
En general, los sistemas son grandes, requieren unidades externas de refrigeración y suministros de gas externos.
Además, se diseñan para adaptarse a una línea en particular y, por lo tanto, se convierten en dedicados a esa línea.
Láser de matriz de puntos
Presentados por primera vez a finales de 1980, estos láseres se desarrollaron para dar codificación láser
programable y flexible, aumentando la versatilidad del marcado láser y ampliando la aplicación de esta tecnología.
El código se programa en el sistema de marcado a través de un teclado. Un microprocesador convierte el código en un
patrón de puntos y sincroniza la activación del láser, el control del sistema de exploración (cuando se utiliza) y el
movimiento del producto a ser codificado, de tal manera que cada uno de los puntos se posiciona con precisión sobre
el producto.
Parámetros de marcado
Muchos parámetros afectan tanto a la capacidad de que un producto pueda ser codificado como a la velocidad a la que
se lo puede hacer. He aquí una breve lista de algunos de los parámetros más comunes que se relacionan con la
codificación de matriz de puntos.
Absorción: los metales desnudos reflejan la luz láser de CO2 y no se pueden codificar. Se requiere
un recubrimiento absorbente. Algunos plásticos transmiten la luz láser de CO2 y no pueden ser codificados.
Es necesario incluir aditivos en el plástico que absorban la luz o usar un láser con una longitud de onda diferente,
por ejemplo, un láser de Nd:YAG.
Tiempo de permanencia: diferentes materiales requieren diferentes densidades de energía para producir un código.
Cuanto más largo es el tiempo de permanencia, más lenta será la velocidad máxima de codificación. Por ejemplo, sobre
cartón reciclado, la tinta impresa generalmente es absorbida más lejos en la superficie y, por lo tanto, el láser
requiere un tiempo de permanencia más largo para quitarla.
Tratamientos de superficie: si una superficie tiene una capa barnizada, el láser tiene que quitar el barniz
antes de que pueda codificar la superficie, y esto requerirá una mayor densidad de energía.
Altura de impresión (número de puntos verticales en un código / número de líneas de texto): cuantos más puntos
(toques) hay en una línea vertical, más tiempo tardará en imprimir esa línea y, por tanto, más lenta será la
velocidad máxima del producto.
Ventajas del uso de la codificación láser
En aquellas aplicaciones donde el láser es un método de codificación adecuado, este trae consigo una serie de
beneficios atractivos:
-
Códigos indelebles: los códigos son grabados en la superficie (sin remoción no autorizada; antifalsificación).
-
Códigos de alta calidad: algunos sistemas pueden generar una impresión próxima a calidad de carta
(near letter quality printing).
-
Códigos claros: no se requieren materiales adicionales, sólo la extracción de los subproductos generados durante
el proceso de marcado láser.
- Bajo mantenimiento: mínimos controles semanales a intervalos de servicio de 4000 horas.
- Bajo costo de funcionamiento: bajo costo de consumibles.
-
Alta confiabilidad: siendo la codificación un requisito legal en algunas industrias, sin codificación es igual a
ninguna producción, por lo que la fiabilidad es la clave. Los codificadores láser son algunos de los dispositivos
de codificación y marcaje más fiables del mercado.
-
Sin contacto: permite la impresión a alta velocidad ya que no hay contacto físico con la superficie a ser impresa.
- Programación: permite que información variable pueda ser impresa.
Conceptos destacados :
| laser coding ( manufacturing – industrial marking ) |
(codificación láser). Impresión de códigos permanentes de alta calidad sin consumibles, con bajo costo de propiedad. |
| laser marking ( manufacturing – industrial marking ) |
(marcado láser). Marcaje sobre el producto mediante eliminación de material o modificación de la superficie. |
| ablation ( laser processing – surface modification ) |
(ablación). Eliminación de material en la zona a marcar, como metal o tinta, para generar contraste. |
| substrate ( materials – packaging ) |
(sustrato). Material base sobre el que se realiza el marcado: vidrio, plástico, metal o cartón. |
| indelible mark ( quality – traceability ) |
(marca indeleble). Marca permanente que no puede removerse fácilmente y dura la vida útil del producto. |
| barcode marking ( packaging – product identification ) |
(marcado de código de barras). Aplicación de códigos de barras en cajas o envases para identificación y logística. |
| consumables-free coding ( operations – cost reduction ) |
(codificación sin consumibles). Sistema que no requiere tintas ni repuestos equivalentes para imprimir códigos. |
| return on investment ( ROI ) ( manufacturing economics – investment ) |
(retorno de inversión). Recuperación del gasto de compra del sistema, en algunos casos menor a tres años. |
| laser medium ( laser physics – active medium ) |
(medio láser). Material activo donde se almacena energía: gas, sólido (cristal) o líquido (colorante). |
| population inversion ( laser physics – energy storage ) |
(inversión de población). Estado del medio láser que permite almacenar energía y emitir fotones. |
| excitation mechanism ( laser engineering – pumping ) |
(mecanismo de excitación). Forma de aportar energía al medio activo: corriente, descarga eléctrica o fuente de luz. |
| optical resonator ( laser engineering – resonant cavity ) |
(resonador óptico). Conjunto de espejos que mantiene los fotones rebotando y extrae el haz láser. |
| partially reflective mirror ( optics – laser cavity ) |
(espejo parcialmente reflectante). Espejo que deja salir parte de la luz para formar el haz de salida. |
| stimulated emission ( quantum electronics – laser action ) |
(emisión estimulada). Proceso por el cual un fotón provoca la emisión de otro idéntico en fase y dirección. |
| beam focus ( optics – laser processing ) |
(enfoque del haz). Concentración del haz en un punto pequeño para aumentar la densidad de energía sobre la superficie. |
| galvanometer scanner ( motion control – beam steering ) |
(galvanómetro de escaneo). Sistema con espejos móviles que desplaza el punto del láser para “dibujar” la marca. |
| coating removal ( laser processing – surface cleaning ) |
(eliminación de revestimiento). Vaporización de tinta o capa superficial para revelar un sustrato contrastante. |
| engraving ( laser processing – material removal ) |
(grabado). Vaporización del material del sustrato sin cambio de color, generando relieve. |
| thermochemical marking ( laser processing – chemical change ) |
(marcado termoquímico). Modificación por calentamiento que rompe enlaces y puede producir cambio de color. |
| absorption ( optics – material interaction ) |
(absorción). Capacidad del material de absorber el haz; si se refleja o transmite, la codificación se dificulta. |
| dwell time ( process parameters – marking speed ) |
(tiempo de permanencia). Tiempo que el haz actúa sobre el punto; a mayor tiempo, menor velocidad máxima. |
| surface treatment ( materials – coatings ) |
(tratamiento de superficie). Barnices o capas que exigen mayor energía porque deben retirarse antes del marcado. |
| CO2 laser ( laser types – infrared lasers ) |
(láser de CO2). Láser infrarrojo (10,6 µm) basado en mezcla de gases excitada por descarga eléctrica. |
| Nd:YAG laser ( laser types – solid-state lasers ) |
(láser Nd:YAG). Láser de estado sólido (1,06 µm) excitado por lámpara flash o diodo láser. |
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