Lasers de fibra MOPA para marcação de plásticos – nem todos os lasers são iguais!

Lasers de fibra MOPA para marcação de plásticos – nem todos os lasers são iguais!

Este é o primeiro de uma série de duas partes sobre os avanços tecnológicos mais significativos na marcação a laser industrial de plásticos. Vamos examinar a arquitetura dos lasers de fibra de itérbio, como eles funcionam e os principais fatores de desempenho que determinam a qualidade da marcação. A Parte 2 examina novas soluções que combinam lasers de marcação MOPA, polímeros e aditivos em conformidade com a FDA para obter contraste de marcação superior, cores personalizadas e alta velocidade, inclusive em marcação a laser in-line.

Principais conclusões

• O MOPA desacopla os parâmetros do laser. Os projetos Q-switched os mantêm interligados, o que limita a otimização do processo.
• A consistência da qualidade do feixe vale mais do que o próprio valor de M2. Cada aplicação exige um modo de feixe diferente; a inconsistência é o que arruína as marcações.
• Uma deriva de M2 de 1,1 para 1,5 dobra a densidade de potência focalizada, alterando drasticamente a qualidade da marcação em plásticos.
• Irradiância é intensidade; fluência é dose. Se for pouca, nada é marcado; se for demais, o material é danificado.
• Potência e taxa de repetição de pulsos são inversamente proporcionais. Alta potência de pico em baixa frequência vaporiza o material com o mínimo de condução de calor.

Perguntas frequentes

O que significa MOPA e como funciona?

Master Oscillator Power Amplifier (oscilador mestre com amplificador de potência). Ele amplifica um diodo laser modulado, de baixa potência e qualidade de telecomunicações, para produzir pulsos precisos de alta potência. Como um gerador de pulsos interno modula o diodo, a largura de pulso e a energia de pulso resultante podem ser definidas, mantidas ou ajustadas em uma ampla faixa de taxas de modulação.

Por que um laser MOPA é melhor que um laser de fibra Q-switched para plásticos?

Porque desacopla os parâmetros do laser. Em um laser de fibra Q-switched, os principais parâmetros são fortemente interligados: aumentar a taxa de repetição de pulsos deveria elevar a potência média, mas a potência de pulso cai, e a qualidade do feixe pode variar bastante a cada mudança de potência ou de taxa de repetição. O MOPA oferece maior otimização e repetibilidade do processo.

O que é M2 e por que a consistência importa mais que o valor?

O M2 quantifica o quanto um feixe pode ser focalizado, sendo M2 = 1 o feixe gaussiano ideal. Cada aplicação exige um modo de feixe diferente, portanto um M2 consistente importa mais do que um M2 baixo. Variar o M2 entre 1,1 e 1,5 gera uma mudança de 2x na densidade de potência focalizada, o que altera drasticamente a qualidade da marcação.

Qual é a diferença entre irradiância e fluência do laser?

A irradiância é a potência por unidade de área, em W/cm², essencialmente a intensidade do feixe, e depende do tamanho do ponto focal. A fluência é a energia por unidade de área, em J/cm², e determina quanta energia é transferida à superfície. Com fluência baixa demais, o material não é afetado; com fluência alta demais, ele é danificado além da marcação pretendida.

Lasers de fibra baratos são uma falsa economia para a marcação de plásticos?

Para trabalho de produção, sim. Lasers industriais operam continuamente e usam ópticas, lentes, cabeças de varredura, eletrônica e software de alta qualidade, e alguns dos principais fabricantes oferecem monitoramento remoto em tempo real. Lasers de baixo custo, do tipo hobby, sofrem com qualidade de marcação irregular, pois ópticas e eletrônica baratas causam variação na qualidade do feixe.

A ascensão dos lasers de marcação de fibra MOPA

Os lasers de fibra de itérbio Q-switched de nanossegundos são usados para marcar plásticos desde a sua invenção, há mais de 30 anos. Entre as vantagens desses lasers estão a entrega por fibra, o menor tamanho, a manutenção reduzida e o preço mais baixo. Os lasers de fibra podem ter qualidade de feixe e brilho superiores aos de seus antecessores, os lasers Nd:YAG de lâmpada de arco, quando os fabricantes usam saída "multimodo" em vez do modo "de baixa ordem" ou modo eletromagnético transversal "TEM00".

Os lasers de marcação de fibra normalmente têm energia de pulso de 1 mJ por pulso individual. O baixo custo e a conveniente entrega por fibra logo os tornaram atraentes para aplicações de marcação a laser. O projeto fundamental do laser de fibra Q-switched não mudou muito ao longo do tempo, e esses lasers continuam populares em muitas aplicações de marcação de plásticos. Os projetos são estáveis, mas a interdependência dos parâmetros do laser impõe limitações à otimização do processo. Há quase 25 anos, cientistas da SPI Lasers (hoje TRUMPF Lasers) trabalhavam rapidamente na próxima geração de lasers de marcação de fibra.

O surgimento dos lasers de fibra de itérbio de nanossegundos com projeto MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) é um dos avanços mais significativos na marcação a laser de plásticos. Um projeto de laser que transformou o setor agora fornece energia pulsada de forma diferente das cavidades tradicionais com espelho/Q-switch. O projeto utiliza "formas de onda" como ferramenta do laser para processamento rápido e controle preciso dos pulsos. O Gráfico 1 mostra as 40 formas de onda de pulso, em cores diferentes, dos lasers de fibra MOPA TRUMPF TruPulse Nano. Cada cor do gráfico representa uma forma de onda de pulso MOPA distinta, que pode ser usada para equilibrar fluência e irradiância e otimizar os resultados da marcação de plásticos. Como ocorre com muitas tecnologias concorrentes, muitas vezes há confusão e representação equivocada, não intencional, de terminologias e fatores distintivos importantes. Este artigo explica a ciência e a terminologia dos lasers de fibra para que leitores e compradores de lasers possam tomar decisões bem informadas.

Um laser de fibra MOPA (Diagrama 1) amplifica um diodo laser modulado, de baixa potência e qualidade de telecomunicações, para produzir pulsos de laser precisos de alta potência. Ao usar um gerador de pulsos interno para modular o diodo de baixa potência, o laser pode definir, manter ou ajustar seletivamente a largura de pulso e a energia de pulso resultante em uma ampla faixa de taxas de modulação.

Essa arquitetura desacopla efetivamente os parâmetros do laser em comparação com o Q-switched e oferece maior otimização e repetibilidade do processo, para resultados de marcação melhores e mais consistentes. Projetos MOPA padrão podem apresentar problemas de variação da qualidade do feixe (M2) semelhantes aos dos lasers de fibra Q-switched. A TRUMPF, fabricante líder de lasers de fibra, oferece um projeto patenteado de amplificador de fibra GTWave de duplo estágio que mantém o M2 consistente em toda a faixa especificada de taxa de repetição de pulsos. Ao contrário dos lasers de fibra MOPA, um laser de fibra com Q-switch ativo funciona interrompendo o ganho na cavidade do laser, o que permite o acúmulo de ganho no amplificador e a emissão de pulsos de laser de alta potência quando a interrupção é removida. Os principais parâmetros nos lasers de fibra Q-switched são fortemente interligados.

A corrente do diodo pode ser aumentada ou reduzida para alterar a potência de saída. Aumentar a taxa de repetição de pulsos deveria elevar a potência média, mas isso não ocorre nos lasers de fibra Q-switched, pois a potência de pulso diminui. O Gráfico 2 mostra a potência e as taxas de repetição em função do tempo. O M2 (qualidade do feixe) nos lasers de fibra Q-switched pode variar bastante a cada mudança na potência do laser e na taxa de repetição de pulsos. Variar o M2 entre 1,1 e 1,5 resulta em uma mudança de 2x na densidade de potência focalizada, o que pode alterar drasticamente a qualidade da marcação em plásticos.

Fatores que afetam a qualidade da marcação a laser

Os lasers de fibra de itérbio operam no espectro do infravermelho próximo (NIR), com comprimento de onda de 1060-1070 nm. A função de um laser de marcação é irradiar a superfície da peça (polímero) com uma fonte localizada de radiação de alta energia (o laser). A energia radiante é então absorvida pelo material e convertida em energia térmica, que induz reações "termoquímicas" no material. Os marcadores a laser com direcionamento de feixe utilizam espelhos montados em galvanômetros de alta velocidade controlados por computador para conduzir o feixe de laser pela superfície a ser marcada. Cada galvanômetro, um no eixo Y e outro no eixo X, produz o movimento do feixe dentro do campo de marcação. O conjunto de lentes de campo plano focaliza a luz do laser para obter alta densidade de potência na superfície do substrato.

Qualidade do feixe

O fator de qualidade do feixe M2 é uma quantificação da capacidade de focalização de um feixe e é fundamental para o desempenho da marcação. O fator M2 de um feixe de laser limita o grau em que ele pode ser focalizado para uma dada divergência, que por sua vez é limitada pela abertura da lente de focalização. M2 = 1 é o feixe de laser gaussiano ideal. Junto com a potência óptica, o fator de qualidade do feixe determina o brilho ("radiância") do feixe de laser. Um fator M2 consistente é mais importante do que o próprio valor, pois diferentes aplicações exigem diferentes modos de feixe. A falta de consistência é um problema comum em lasers de menor desempenho e resulta em variação na marcação, na aparência e na funcionalidade.

Irradiância e fluência do laser

A irradiância e a fluência do laser são parâmetros-chave na marcação de plásticos. Veja a seguir uma breve descrição de como elas afetam o processo de marcação:

Irradiância do laser: a irradiância é a potência do laser por unidade de área, medida em watts por centímetro quadrado (W/cm2). É essencialmente a intensidade do feixe de laser, que depende do tamanho do ponto focalizado. O tamanho do ponto focalizado, para qualquer distância focal da lente e comprimento de onda do laser, depende da divergência do feixe. Um ponto maior resulta em menor densidade de energia. Alta irradiância pode levar ao aquecimento rápido e à vaporização do material, enquanto baixa irradiância pode nem criar uma marcação visível. A irradiância afeta a velocidade e a qualidade do processo de marcação. Alta irradiância pode levar a uma marcação mais rápida, já que o material é aquecido e vaporizado rapidamente. No entanto, se a irradiância for alta demais, pode danificar o material, causando trincas ou queima excessiva. Por outro lado, baixa irradiância pode resultar em baixa velocidade de marcação ou em nenhuma marcação visível.

A intensidade é influenciada por:

• Frequência de pulso (Hz, kHz) – taxa de repetição de pulsos
• Potência do laser (watt) – diferente da densidade de potência W/cm2
• Tamanho do ponto focal – também chamado de diâmetro focal
• Largura de pulso – o tempo entre o início e o fim de um impulso, medido em nanossegundos, pico ou femtossegundos. É um fator para controlar a densidade de energia e é crítico para a otimização do processo. O ajuste da duração do pulso em lasers MOPA é mais flexível do que em lasers de fibra Q-switched (pulso fixo).

Fluência do laser: a fluência é uma medida da energia do laser por unidade de área. Normalmente é medida em joules por centímetro quadrado (J/cm2). A fluência determina a quantidade de energia transferida à superfície do material. Se a fluência for baixa demais, o material pode não ser afetado. Se for alta demais, o material pode ser danificado em excesso, além do efeito de marcação desejado. A fluência deve estar em um nível adequado ao material específico que está sendo marcado. Alguns materiais podem exigir fluência maior para absorver energia suficiente para uma marcação visível, enquanto outros podem exigir fluência menor para evitar danos. A profundidade da marcação também pode ser influenciada pela fluência; em geral, fluência maior leva a marcações mais profundas.

A fluência é influenciada por:

• Intensidade do feixe
• Velocidade do scanner
• Sobreposição de pulsos
• Diâmetro do feixe focalizado

A taxa de repetição de pulsos e a densidade de potência de pico são parâmetros críticos para formar a marcação e obter contraste e velocidade ideais. Alta potência de pico em baixa frequência eleva rapidamente a temperatura da superfície, vaporizando o material e conduzindo o mínimo de calor para o substrato. À medida que a taxa de repetição aumenta, uma potência de pico menor produz vaporização mínima, mas conduz mais calor. As curvas aritméticas de potência versus taxa de repetição de pulsos são inversamente proporcionais. Fatores adicionais, como a velocidade do feixe de marcação e a distância de separação entre as linhas vetoriais, determinam o contraste e a qualidade da marcação.

Ajustando e controlando cuidadosamente esses parâmetros, a marcação a laser pode criar marcações precisas e de alta qualidade em uma ampla gama de materiais plásticos. É um equilíbrio que depende das propriedades do material, da profundidade de marcação desejada e da velocidade de marcação necessária. A adição de absorvedores de laser ao plástico amplia muito a gama de plásticos marcáveis, melhora a qualidade da marcação e alarga a janela de processo, garantindo a consistência da marcação.

Nem todos os lasers são iguais!

A Trumpf Lasers desenvolveu a pioneira arquitetura de fibra MOPA e os sistemas industriais de marcação descritos neste artigo, que garantem resultados de marcação consistentes em todos os lasers. É fundamental distinguir entre lasers industriais e lasers de baixo custo vendidos no atacado.

Lasers industriais são superiores aos lasers baratos do tipo hobby vendidos por revendedores no atacado. Lasers industriais podem operar continuamente, 24 horas por dia, 7 dias por semana, e são equipados com ópticas, lentes, cabeças de varredura, eletrônica e software versátil de alta qualidade. Alguns dos principais fabricantes do setor usam monitoramento remoto do sistema em tempo real para detectar problemas antes que surjam. Lasers baratos têm sérios problemas de qualidade de marcação irregular e de ópticas e eletrônica baratas, o que causa variações na qualidade do feixe e marcação inconsistente.

Na Parte 2 deste artigo, os leitores verão como os avanços na ciência dos materiais plásticos e nos lasers de fibra de nanossegundos tornaram possível marcar plásticos que eram difíceis, ou até impossíveis, de marcar a laser, com contraste de alta qualidade, cores personalizadas e velocidade nunca vistos antes.

In memoriam: este artigo é dedicado a Mark Brodsky, verdadeiro visionário do laser, inventor, colega e amigo.

Referências

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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