Láseres de fibra: selección y aditivos

Láseres de fibra: selección y aditivos

Nota del editor: en este artículo de tecnología, Scott Sabreen aborda dos temas relacionados con los láseres de fibra: la selección del tipo de láser de fibra al marcar plásticos y la mejora del contraste de marcado mediante el uso de aditivos.

Puntos clave

• Los láseres de fibra difieren fundamentalmente de otros láseres DPSS: el medio activo está disperso dentro del propio cable de fibra óptica.
• La estructura totalmente de fibra explica su confiabilidad y robustez y, por ende, su rápido crecimiento.
• Los láseres Q-switch se limitan a unos 80 kHz, una restricción inherente a la tecnología, con un ancho de pulso de 100–120 ns.
• El DM-MOPA alcanza 500 kHz con anchos de pulso de nanosegundos, lo que en general se traduce en un marcado más rápido.
• No existe una solución láser universal. El desarrollo de aplicaciones es muy específico para cada material.

Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia a un láser de fibra de otros láseres de estado sólido?

El medio activo que genera el haz está disperso dentro de un cable de fibra óptica especializado y, a diferencia de los láseres con entrega por fibra, todo el trayecto del haz permanece dentro de ese cable hasta la óptica de entrega. Esta estructura totalmente de fibra es en gran parte responsable de su confiabilidad y robustez.

¿Pulso fijo o MOPA: cuál debo elegir?

Depende del material. Los láseres de pulso fijo con Q-switch de 100 a 120 ns se usan en algunas aplicaciones de marcado, pero la propia tecnología los limita a una frecuencia de repetición de unos 80 kHz. Los láseres MOPA de modulación directa alcanzan hasta 500 kHz con anchos de pulso de nanosegundos, lo que en general significa un marcado más rápido.

¿Una mayor frecuencia de repetición siempre significa un marcado más rápido?

En general sí, pero solo en conjunto con los demás parámetros del láser y de la guía de onda. La frecuencia de repetición por sí sola no determina la productividad: la energía del pulso, la potencia pico, la velocidad del haz y la respuesta del material también contribuyen.

¿Existe un único mejor láser para plásticos?

No. El desarrollo de aplicaciones es muy específico, y el tipo de láser que se integra se determina por la forma en que las características de salida del láser interactúan con el material polimérico optimizado. El material y el láser deben seleccionarse en conjunto.

¿Cómo cambian los aditivos lo que puede marcar un láser de fibra?

Mejoran el grado de contraste, que después puede intensificarse aún más mediante los parámetros de configuración del láser. Los polímeros tienen tendencias inherentes hacia un contraste oscuro o claro, e incluso los grados de una misma familia producen resultados distintos, por lo que el aditivo se ajusta al grado específico.

Selección de un láser de fibra para marcar plásticos: ¿cuál es el mejor?

Los láseres de fibra de iterbio de nanosegundos se cuentan entre los avances más significativos para marcar, soldar y cortar. En esencia, los láseres de fibra son distintos de otros láseres de marcado de estado sólido bombeados por diodo (DPSS). En los láseres de fibra, el medio activo que genera el haz láser está disperso dentro de un cable de fibra óptica especializado. A diferencia de los láseres con entrega por fibra, todo el trayecto del haz se encuentra dentro de un cable de fibra óptica hasta la óptica de entrega del haz. Esta estructura totalmente de fibra es en gran parte responsable de la confiabilidad y la robustez de estos láseres, lo que explica su rápido crecimiento.

¿Qué tipo de láser de fibra, de pulso fijo o MOPA, es el mejor para marcar plásticos?

IPG Photonics, un desarrollador y fabricante líder de láseres de fibra de alto desempeño, ofrece tanto los láseres de pulso fijo de la serie YLP (a veces llamados «Q-switch») como los láseres YLPN (MOPA) de pulso corto variable. Los láseres de fibra con Q-switch, normalmente con un ancho de pulso de 100 a 120 ns, se emplean en algunas aplicaciones de marcado, pero su frecuencia de repetición se limita a unos 80 kHz debido a la restricción inherente de la tecnología Q-switch. Los láseres de fibra MOPA de modulación directa (DM-MOPA) pueden operar a frecuencias de repetición de hasta 500 kHz con anchos de pulso de nanosegundos. Las altas frecuencias de repetición generalmente se traducen en una mayor velocidad de marcado (en conjunto con otros parámetros del láser y de la guía de onda).

El desarrollo de aplicaciones es muy específico y no existe una solución láser universal. Los láseres MOPA de duración de pulso corta pueden aprovechar plenamente el desempeño de los aditivos químicos sensibles incorporados en los polímeros. El control espacial y temporal localizado del aporte de calor del láser y de la velocidad de dicho aporte permite alcanzar el máximo desempeño.

La selección del tipo de láser que se integra se determina por las características de salida del láser al interactuar con el material polimérico optimizado. La Figura 2 representa las formas temporales de pulso de los láseres de fibra de iterbio de duración de pulso fija y variable (MOPA).

En ambas gráficas, la combinación particular de parámetros de entrada controla las propiedades de salida del haz láser, a saber, la energía del pulso, la potencia pico (el máximo instantáneo de la energía del pulso, joules/duración del pulso) y la potencia promedio (potencia promedio en watts = energía del pulso en joules × frecuencia de repetición de pulsos en hertz).

Al configurar un láser de fibra de duración de pulso fija para marcar, deben establecerse dos parámetros:

• la frecuencia de repetición de pulsos (a menudo llamada frecuencia de pulso), y
• la potencia de bombeo en porcentaje (100 por ciento se refiere a la máxima entrada eléctrica posible a los diodos de bombeo).

Al configurar un láser de fibra MOPA de pulso corto variable para marcar, se establecen tres parámetros:

• la duración del pulso (a menudo llamada longitud de pulso),
• la frecuencia de repetición de pulsos (frecuencia de pulso) y
• la potencia de bombeo en porcentaje, como se explicó anteriormente.

Aditivos láser para el marcado de plásticos con láseres de fibra

Los aditivos láser para el infrarrojo cercano mejoran el grado de contraste, que puede intensificarse aún más al modificar los parámetros de configuración del láser. Los polímeros poseen características inherentes que producen un contraste de marcado «oscuro» o «claro». Algunos compuestos colorantes con bajas cantidades de dióxido de titanio (TiO₂) y negro de humo también pueden absorber la luz láser y, en algunos casos, mejorar el contraste de marcado.

Cada grado de polímero, incluso dentro de la misma familia polimérica, puede producir resultados distintos. Las formulaciones de aditivos no pueden ser tóxicas ni afectar negativamente la apariencia ni las propiedades físicas o funcionales de los productos.

En comparación con los procesos de impresión con tinta (tampografía/serigrafía e inyección de tinta), los aditivos láser reducen costos y pueden demostrar velocidades de marcado 20 por ciento superiores o más frente a materiales no optimizados. Los aditivos láser se suministran en gránulos (pellets) y en polvo. Los productos granulados pueden mezclarse directamente con la resina polimérica, mientras que las presentaciones en polvo se convierten en masterbatch. La mayoría se dispersa fácilmente en los polímeros. Según el aditivo y el polímero, la concentración de carga en peso (en la pieza final) va de 0.01 a 4.0 por ciento.

Tanto el granulado como el polvo pueden mezclarse en material de color precompuesto o en concentrado de color. La selección del aditivo a incorporar depende de la composición del polímero, del color del sustrato, del color de contraste de marcado deseado y de los requisitos de certificación de uso final. En operaciones de extrusión, moldeo por inyección y termoformado, los materiales de color precompuestos ofrecen mejor uniformidad que el concentrado de color.

Debe evitarse el mezclado manual. El flujo del molde y el tipo y la ubicación de la compuerta son factores importantes. Una distribución y dispersión homogéneas de los aditivos láser en toda la pieza es fundamental para lograr un desempeño de marcado óptimo.

Algunos aditivos contienen mezclas de óxido de estaño dopado con antimonio y trióxido de antimonio que pueden impartir un tinte «grisáceo» a la opacidad natural (sin color) del sustrato. Otros aditivos pueden contener partículas de aluminio, óxidos metálicos mixtos y compuestos patentados. Los ajustes de color se realizan con pigmentos y tintes para lograr la apariencia final de igualación de color.

Ciertos aditivos específicos disponibles comercialmente (también utilizados para la soldadura láser) han recibido la aprobación de la FDA para contacto con alimentos y uso en empaques alimentarios bajo las condiciones A-H de 21 CFR 178.3297 – Colorants for Polymers. Para la Unión Europea existen declaraciones de cumplimiento similares. Las condiciones de certificación son específicas según el tipo de polímero, el umbral del nivel de carga y el contacto directo o indirecto. Una calificación adicional de los aditivos aprobados por la FDA mezclados en una «pieza final» puede lograr la biocompatibilidad de dispositivos médicos.

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: marcado láser, pretratamientos de superficies, pegado, decoración y acabado, y seguridad del producto. Sabreen desarrolla tecnologías pioneras y resuelve problemas de manufactura desde hace más de 30 años. Puede comunicarse al 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

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