Láseres de fibra MOPA para el marcado de plásticos: ¡no todos los láseres son iguales!

Láseres de fibra MOPA para el marcado de plásticos: ¡no todos los láseres son iguales!

Esta es la primera de una serie de dos partes sobre los avances tecnológicos más importantes en el marcado láser industrial de plásticos. Examinaremos la arquitectura de los láseres de fibra de iterbio, cómo funcionan y los principales factores de desempeño que determinan la calidad de marcado. La parte 2 analiza nuevas soluciones que emplean láseres de marcado MOPA, polímeros y aditivos aptos para la FDA para lograr un contraste de marcado superior, colores personalizados y alta velocidad, incluido el marcado láser en línea.

Puntos clave

• El MOPA desacopla los parámetros del láser. Los diseños con Q-switch los mantienen vinculados, lo que limita la optimización del proceso.
• La consistencia de la calidad del haz importa más que el valor de M2. Cada aplicación requiere modos de haz distintos; la inconsistencia es lo que arruina las marcas.
• Una deriva de M2 de 1.1 a 1.5 duplica la densidad de potencia enfocada y cambia drásticamente la calidad de marcado en plásticos.
• La irradiancia es intensidad; la fluencia es dosis. Con muy poca no se marca nada; con demasiada se daña el material.
• La potencia y la frecuencia de repetición de pulsos son inversamente proporcionales. Una alta potencia pico a baja frecuencia vaporiza con una conducción de calor mínima.

Preguntas frecuentes

¿Qué significa MOPA y cómo funciona?

Master Oscillator Power Amplifier (amplificador de potencia con oscilador maestro). Amplifica un diodo láser de baja potencia y calidad de telecomunicaciones, modulado, para producir pulsos precisos de alta potencia. Como un generador de pulsos interno modula el diodo, el ancho de pulso y la energía de pulso resultante pueden fijarse, mantenerse o ajustarse en un amplio rango de tasas de modulación.

¿Por qué un láser MOPA es mejor que un láser de fibra con Q-switch para plásticos?

Porque desacopla los parámetros del láser. En un láser de fibra con Q-switch los parámetros clave están fuertemente acoplados: al aumentar la frecuencia de repetición de pulsos debería subir la potencia promedio, pero en cambio cae la potencia del pulso, y la calidad del haz puede variar considerablemente ante cualquier cambio de potencia o de frecuencia de repetición. El MOPA ofrece mayor optimización y repetibilidad del proceso.

¿Qué es M2 y por qué la consistencia importa más que su valor?

M2 cuantifica qué tan bien puede enfocarse un haz; M2 = 1 es el haz gaussiano ideal. Cada aplicación requiere modos de haz distintos, por lo que un M2 consistente importa más que uno bajo. Variar M2 entre 1.1 y 1.5 produce un cambio de 2x en la densidad de potencia enfocada, lo que modifica drásticamente la calidad de marcado.

¿Cuál es la diferencia entre irradiancia y fluencia láser?

La irradiancia es la potencia por unidad de área en W/cm², es decir, la intensidad del haz, y depende del tamaño del punto enfocado. La fluencia es la energía por unidad de área en J/cm² y determina cuánta energía se transfiere a la superficie. Con muy poca fluencia el material no se afecta; con demasiada se daña más allá de la marca deseada.

¿Los láseres de fibra baratos son una falsa economía para el marcado de plásticos?

Para trabajo de producción, sí. Los láseres industriales operan de forma continua y utilizan ópticas, lentes, cabezales de escaneo, electrónica y software de alta calidad, y algunos de los mejores fabricantes ofrecen monitoreo remoto en tiempo real. Los láseres económicos tipo aficionado sufren una calidad de marcado errática porque sus ópticas y electrónica baratas provocan variaciones en la calidad del haz.

El auge de los láseres de marcado de fibra MOPA

Los láseres de fibra de iterbio de nanosegundos con Q-switch se utilizan para marcar plásticos desde su invención hace más de 30 años. Entre sus ventajas están la entrega por fibra, la menor huella, el menor mantenimiento y el menor precio. Los láseres de fibra pueden tener mejor calidad de haz y brillo que sus predecesores Nd:YAG de lámpara de arco cuando los fabricantes utilizan una salida «multimodo» en lugar de un modo «de orden bajo» o modo electromagnético transversal «TEM00».

Los láseres de marcado de fibra suelen tener una energía de pulso de 1 mJ por pulso individual. Su bajo costo y su cómoda entrega por fibra los volvieron rápidamente atractivos para aplicaciones de marcado láser. El diseño fundamental del láser de fibra con Q-switch no ha cambiado mucho con el tiempo y estos láseres siguen siendo populares en muchas aplicaciones de marcado de plásticos. Los diseños son estables, pero los parámetros interconectados del láser imponen limitaciones a la optimización del proceso. Hace casi 25 años, científicos de SPI Lasers (ahora TRUMPF Lasers) trabajaban con rapidez en la siguiente generación de láseres de marcado de fibra.

La aparición de los láseres de fibra de iterbio de nanosegundos de diseño MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) es uno de los avances más significativos del marcado láser de plásticos. Un diseño de láser que cambió la industria entrega ahora la energía pulsada de forma distinta a las cavidades tradicionales de espejo/Q-switch. El diseño utiliza «formas de onda» como herramienta láser para un procesamiento rápido y un control fino de los pulsos. La Gráfica 1 muestra los 40 pulsos de formas de onda de distintos colores de los láseres de fibra MOPA TRUMPF TruPulse Nano. Cada color de la gráfica representa una forma de onda de pulso MOPA distinta que puede utilizarse para equilibrar la fluencia y la irradiancia y así optimizar los resultados de marcado en plásticos. Como ocurre con muchas tecnologías en competencia, suele haber confusión y errores involuntarios en la presentación de terminología y factores distintivos importantes. Este artículo explica la ciencia y la terminología de los láseres de fibra para que lectores y compradores de láseres puedan tomar decisiones informadas.

Un láser de fibra MOPA (Diagrama 1) amplifica un diodo láser modulado de baja potencia y calidad de telecomunicaciones para producir pulsos láser precisos de alta potencia. Al utilizar un generador de pulsos interno para modular el diodo de baja potencia, el láser puede fijar, mantener o ajustar de forma selectiva el ancho de pulso y la energía de pulso resultante en un amplio rango de tasas de modulación de pulsos.

Esta arquitectura desacopla eficazmente los parámetros del láser respecto de los del Q-switch y ofrece mayor optimización y repetibilidad del proceso, para obtener resultados de marcado mejores y más consistentes. Los diseños estándar de láser de fibra MOPA pueden presentar problemas de variación de la calidad del haz (M2) similares a los de los láseres de fibra con Q-switch. TRUMPF, fabricante líder de láseres de fibra, ofrece un diseño patentado de amplificador de fibra GTWave de doble etapa que mantiene un M2 consistente en todo su rango especificado de frecuencia de repetición de pulsos. A diferencia de los láseres de fibra MOPA, un láser de fibra con Q-switch activo funciona interrumpiendo la ganancia en la cavidad del láser, lo que permite acumular ganancia en el amplificador y emitir pulsos láser de alta potencia cuando se elimina la interrupción. Los parámetros clave de los láseres de fibra con Q-switch están fuertemente acoplados.

La corriente del diodo puede aumentarse o reducirse para cambiar la potencia de salida. Al aumentar la frecuencia de repetición de pulsos debería aumentar la potencia promedio; sin embargo, esto no ocurre con los láseres de fibra con Q-switch, pues la potencia del pulso disminuye. La Gráfica 2 muestra la potencia y las frecuencias de repetición en función del tiempo. El M2 (calidad del haz) de los láseres de fibra con Q-switch puede variar considerablemente ante cualquier cambio en la potencia del láser y en la frecuencia de repetición de pulsos. Variar el M2 entre 1.1 y 1.5 producirá un cambio de 2x en la densidad de potencia enfocada, lo que puede cambiar drásticamente la calidad de marcado en plásticos.

Factores que afectan la calidad del marcado láser

Los láseres de fibra de iterbio operan en el espectro del infrarrojo cercano (NIR) con una longitud de onda de 1060-1070 nm. La función de un láser de marcado es irradiar la superficie de la pieza (polímero) con una fuente de radiación localizada de alta energía (láser). La energía radiante es absorbida por el material y convertida en energía térmica, que induce reacciones «termoquímicas» en el material. Los marcadores láser de haz dirigido utilizan espejos montados en galvanómetros de alta velocidad controlados por computadora para dirigir el haz láser sobre la superficie que se va a marcar. Cada galvanómetro, uno en el eje Y y otro en el eje X, proporciona el movimiento del haz dentro del campo de marcado. El conjunto de lente de campo plano enfoca la luz láser para lograr una alta densidad de potencia en la superficie del sustrato.

Calidad del haz

El factor de calidad del haz M2 cuantifica la capacidad de enfoque de un haz y es fundamental para el desempeño del marcado. El factor M2 de un haz láser limita el grado en que puede enfocarse para una divergencia dada, la cual está limitada por la apertura de la lente de enfoque. M2 = 1 es el haz láser gaussiano ideal. Junto con la potencia óptica, el factor de calidad del haz determina el brillo («radiancia») del haz láser. Un factor M2 consistente es más importante que su valor, ya que distintas aplicaciones requieren distintos modos de haz. La falta de consistencia es un problema común de los láseres de menor desempeño y provoca variaciones en el marcado, su apariencia y su funcionalidad.

Irradiancia y fluencia láser

La irradiancia y la fluencia láser son parámetros clave en el marcado de plásticos. A continuación se describe brevemente cómo influyen en el proceso de marcado:

Irradiancia láser: la irradiancia es la potencia del láser por unidad de área, medida en watts por centímetro cuadrado (W/cm2). Es, en esencia, la intensidad del haz láser, que depende del tamaño del punto enfocado. El tamaño del punto láser enfocado, para cualquier distancia focal de lente y longitud de onda del láser, depende de la divergencia del haz láser. Un punto más grande produce una menor densidad de energía. Una irradiancia alta puede provocar calentamiento rápido y vaporización del material, mientras que una irradiancia baja puede no crear ninguna marca visible. La irradiancia afecta la velocidad y la calidad del proceso de marcado. Una irradiancia alta puede permitir un marcado más rápido, ya que el material se calienta y vaporiza rápidamente. Sin embargo, si la irradiancia es demasiado alta, puede dañar el material, por ejemplo con grietas o quemado excesivo. Por otro lado, una irradiancia baja puede dar como resultado una velocidad de marcado lenta o ninguna marca visible.

La intensidad depende de:

• Frecuencia de pulso (Hz, kHz): frecuencia de repetición de pulsos
• Potencia del láser (watts): distinta de la densidad de potencia en W/cm2
• Tamaño del punto focal: también llamado diámetro focal
• Ancho de pulso: el tiempo entre el inicio y el final de un impulso, medido en nanosegundos, pico o femtosegundos. Es un factor para controlar la densidad de energía y es crítico para la optimización del proceso. El ajuste de la duración del pulso en los láseres MOPA es más flexible que en los láseres de fibra con Q-switch (pulso fijo).

Fluencia láser: la fluencia es una medida de la energía del láser por unidad de área. Normalmente se mide en joules por centímetro cuadrado (J/cm2). La fluencia determina la cantidad de energía que se transfiere a la superficie del material. Si la fluencia es demasiado baja, el material puede no verse afectado en absoluto. Si es demasiado alta, el material puede dañarse en exceso, más allá del efecto de marcado deseado. La fluencia debe estar en un nivel adecuado para el material específico que se marca. Algunos materiales pueden requerir una fluencia mayor para absorber suficiente energía y mostrar una marca visible, mientras que otros pueden requerir una fluencia menor para evitar daños. La profundidad de la marca también puede verse influida por la fluencia; en general, una mayor fluencia produce marcas más profundas.

La fluencia depende de:

• Intensidad del haz
• Velocidad del escáner
• Traslape de pulsos
• Diámetro del haz enfocado

La frecuencia de repetición de pulsos y la densidad de potencia pico son parámetros críticos para formar la marca y lograr el contraste y la velocidad óptimos. Una alta potencia pico a baja frecuencia eleva rápidamente la temperatura de la superficie y vaporiza el material, conduciendo un calor mínimo hacia el sustrato. Al aumentar la frecuencia de repetición, una menor potencia pico produce una vaporización mínima pero conduce más calor. Las curvas aritméticas de potencia frente a frecuencia de repetición de pulsos son inversamente proporcionales. Otros factores, como la velocidad del haz de marcado y la distancia de separación entre líneas vectoriales, determinan el contraste y la calidad del marcado.

Mediante el ajuste y el control cuidadosos de estos parámetros, el marcado láser puede crear marcas precisas y de alta calidad en una gama de materiales plásticos. Es un equilibrio que depende de las propiedades del material, la profundidad de marca deseada y la velocidad de marcado requerida. Agregar absorbedores láser al plástico aumenta considerablemente la gama de plásticos marcables, mejora la calidad de la marca y amplía la ventana de proceso para asegurar la consistencia del marcado.

¡No todos los láseres son iguales!

Trumpf Lasers desarrolló la innovadora arquitectura de fibra MOPA y los sistemas de marcado industrial descritos en este artículo, que garantizan resultados de marcado consistentes en todos los láseres. Es fundamental distinguir entre láseres industriales y láseres económicos de venta al mayoreo.

Los láseres industriales son superiores a los láseres baratos tipo aficionado de reventa al mayoreo. Los láseres industriales pueden operar de forma continua las 24 horas del día, los 7 días de la semana, y están equipados con ópticas, lentes, cabezales de escaneo, electrónica y software versátil de alta calidad. Algunos de los principales fabricantes de la industria utilizan monitoreo remoto del sistema en tiempo real para detectar problemas antes de que se presenten. Los láseres baratos tienen serios problemas de calidad de marcado errática, con ópticas y electrónica económicas que provocan variaciones en la calidad del haz y un marcado inconsistente.

En la parte 2 de este artículo, los lectores conocerán cómo los avances en la ciencia de materiales plásticos y en los láseres de fibra de nanosegundos han hecho posible marcar plásticos que eran difíciles, o incluso imposibles, de marcar con láser, con un contraste de alta calidad, colores personalizados y una velocidad nunca vistos.

In memoriam: este artículo está dedicado a Mark Brodsky, un verdadero visionario del láser, inventor, colega y amigo.

Referencias

1. Brodsky, M. “Wave Forms: A New Laser Tool,” Optics & Photonics, March 2012 2. “Laser Marking at a Glance Brochure,” TRUMPF Laser 3. Sabreen, S. “Fiber Lasers: Selection and Additives,” Plastics Decorating magazine, November 2017.

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