Láseres de haz dirigido

Láseres de haz dirigido

Puntos clave

• Se mueven los espejos, no el láser ni la pieza; eso es lo que hace posible el marcado a alta velocidad.
• Dos galvanómetros, uno por eje, generan el movimiento del haz dentro del campo de marcado.
• Una lente de campo plano enfoca el haz para lograr una alta densidad de potencia en todo el campo.
• La velocidad de barrido, el campo de visión y la calidad del haz son los tres límites de lo que puede hacer un cabezal de escaneo.

Láseres de haz dirigido

Un sistema de marcado láser de haz dirigido mueve el punto láser enfocado sobre una pieza estacionaria mediante espejos rápidos controlados por computadora, en lugar de mover la pieza o el propio láser. Dos espejos ligeros montados en motores galvanométricos desvían el haz en X y Y, y una lente de campo plano lo mantiene enfocado en toda el área de marcado. La pieza permanece quieta; solo se mueve el haz.

Esta es la arquitectura que sustenta prácticamente todo el marcado industrial moderno, y es la razón por la que el marcado láser se volvió viable para la producción de alta velocidad.

Cómo funciona el tren óptico

• Expansor de haz. Amplía el haz original para que la lente de enfoque pueda producir un punto más pequeño; un haz más grande en la lente da un enfoque más preciso.
• Espejos galvanométricos X y Y. Espejos de inercia muy baja accionados por motores galvo de lazo cerrado, capaces de reposicionarse en fracciones de milisegundo.
• Lente F-theta. El componente crítico. Una lente ordinaria enfoca sobre una superficie curva, lo que dejaría el marcado desenfocado lejos del centro. La lente f-theta está corregida para que el plano focal sea plano y el desplazamiento sea linealmente proporcional al ángulo de barrido, sin distorsionar la geometría.

Tamaño de campo, tamaño de punto y el compromiso entre ambos

La distancia focal de la lente f-theta define el campo de marcado, y no se puede elegir sin consecuencias:

Un campo mayor siempre cuesta resolución y densidad de potencia. Como la irradiancia es la potencia dividida entre el área del punto, un punto mayor distribuye la misma potencia de forma más dispersa, lo cual, en un polímero de absorción marginal, puede ser la diferencia entre lograr un marcado o no. Especificar un campo sobredimensionado “por flexibilidad” es un error común y costoso.

Tres ejes y enfoque dinámico

Un sistema estándar de dos ejes marca sobre un plano. Al añadir un módulo de enfoque motorizado antes de los galvos (un tercer eje), la altura focal puede variar sobre la marcha, de modo que las piezas plásticas con contornos, escalones o forma cilíndrica se marcan enfocadas en toda su extensión. En componentes moldeados con ángulos de salida o curvatura significativos, esto suele ser esencial y no opcional.

Parámetros que controla el operador

• Velocidad de marcado: velocidad de desplazamiento de los espejos que, junto con la potencia y la frecuencia de repetición, determina la energía entregada por unidad de longitud.
• Velocidad y retardos de salto: qué tan rápido se reposiciona el haz entre segmentos marcados. Retardos incorrectos de salto, de marcado y de polígono causan los defectos clásicos: esquinas quemadas, e inicios y finales redondeados en los vectores.
• Patrón de rellenado y espaciado de líneas: en áreas rellenas, controlan tanto la apariencia como el aporte acumulado de calor.
• Desplazamiento de foco: a veces se desenfoca deliberadamente para ensanchar el punto y suavizar el marcado.

En plásticos, estos parámetros de temporización importan más que en metales, porque los polímeros toleran mucho menos la acumulación localizada de calor que producen los retardos mal ajustados. Encontrará orientación de diagnóstico en solución de problemas comunes de grabado láser en plásticos.

Parámetros de retardo y por qué se distorsionan los marcados

Los espejos galvanométricos tienen masa, por lo que van retrasados respecto a la señal de comando. Por eso todo cabezal de escaneo expone un conjunto de parámetros de retardo que sincronizan el láser con los espejos. Son los ajustes responsables de la mayoría de los defectos geométricos del marcado y con frecuencia se dejan en los valores de fábrica:

Estos parámetros interactúan con la velocidad de marcado, por lo que una receta ajustada a una velocidad mostrará defectos en esquinas y extremos de línea cuando cambie la velocidad. Reajuste los retardos siempre que la velocidad de marcado cambie de forma apreciable; no los trate como constantes de la máquina.

Calibración de campo y corrección de distorsión

Una lente f-theta convierte la deflexión angular del espejo en un plano focal plano, pero esta correspondencia nunca es perfecta y se degrada hacia los bordes del campo:

• Los archivos de corrección son específicos de cada lente. El cabezal de escaneo aplica una tabla de corrección de distorsión acorde con la lente instalada. Si se instala otra distancia focal sin cargar el archivo correspondiente, los marcados quedan dimensionalmente incorrectos en los bordes del campo aunque se vean bien en el centro.
• La distorsión de barril y de cojín se manifiesta como líneas rectas curvadas cerca del perímetro del campo. Es un problema de calibración, no mecánico.
• Verifique con una cuadrícula, no con una pieza. Marcar una cuadrícula de campo completo y medirla revela errores de escala, sesgo y distorsión que un marcado pequeño en el centro jamás mostrará.
• Mantenga el área de trabajo dentro del campo nominal. La precisión, el tamaño de punto y el enfoque se degradan hacia los bordes, por lo que una pieza colocada en el extremo del campo se marcará peor que la misma pieza en el centro.
• Recalibre después de cualquier cambio óptico: el reemplazo de la lente, de la ventana protectora o del cabezal exige una nueva verificación con cuadrícula.

Solución de problemas de artefactos del cabezal de escaneo

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Aplicación en producción

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Preguntas frecuentes

¿Qué es un láser de haz dirigido?

Un sistema láser que emplea componentes ópticos dinámicos, como espejos galvanométricos o escáneres MEMS, para dirigir y controlar rápidamente la posición del haz sin mover la fuente láser ni la pieza. Es la arquitectura estándar del marcado industrial.

¿Cómo funciona realmente la dirección del haz?

Unos espejos ajustables se inclinan o giran para cambiar la dirección del haz: un galvanómetro se encarga del eje X y otro del eje Y para generar el movimiento dentro del campo de marcado. Después, un conjunto de lente de campo plano enfoca la luz para lograr una alta densidad de potencia en la superficie.

¿Por qué es más rápido dirigir el haz que mover la pieza?

Porque los espejos tienen mucha menos masa que una pieza o un cabezal láser. El movimiento rápido del haz permite altas velocidades de proceso en grabado, marcado, corte y manufactura aditiva que los sistemas de movimiento mecánico no pueden igualar.

¿Qué limita el desempeño de un cabezal de escaneo?

Los límites de velocidad y aceleración del movimiento del espejo o escáner restringen la velocidad de proceso. El campo de visión lo define el rango de ángulos de los espejos y la configuración óptica. Y mantener el haz enfocado en todo el campo limita la calidad alcanzable.

¿Para qué sirve una lente de campo plano?

Enfoca el láser para mantener una alta densidad de potencia en todo el campo de marcado, compensando que un haz dirigido recorrería distancias distintas hacia distintos puntos y se desenfocaría hacia los bordes del campo.

¿Por qué los caracteres salen con manchas en los extremos de los trazos?

Por retardos de encendido y apagado del láser mal ajustados. Los espejos galvanométricos tienen masa y van retrasados respecto a la señal de comando, por lo que el cabezal necesita parámetros de retardo para sincronizar el haz con el movimiento de los espejos. Una mancha indica que el haz dispara mientras los espejos están casi detenidos. Es una falla de temporización, así que reducir la potencia solo adelgaza todo el marcado en lugar de corregirla.

¿Hay que reajustar los retardos del cabezal cuando cambia la velocidad de marcado?

Sí, siempre que el cambio sea apreciable. Los retardos compensan el asentamiento de los espejos, y el tiempo de asentamiento requerido aumenta con la velocidad a la que se accionan. Una receta ajustada a una velocidad mostrará esquinas redondeadas y artefactos en los extremos de línea a otra, por lo que los retardos de fábrica suelen dar marcados aceptables en un trabajo y deficientes en el siguiente.

¿Por qué los marcados son dimensionalmente correctos en el centro del campo pero incorrectos en los bordes?

Casi siempre se debe a un archivo de corrección que no corresponde a la lente instalada. El cabezal aplica una tabla de corrección de distorsión específica de la distancia focal instalada, y si se cambia la lente sin cargar el archivo correspondiente, el centro queda preciso mientras los bordes se curvan y desplazan. Verifique con una cuadrícula de campo completo y no con un solo marcado central, que nunca revelará el error.

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