Marcado láser en frío

Marcado láser en frío

Puntos clave

• Dos vías distintas comparten el nombre: el marcado fotoquímico ultravioleta y la ablación atérmica con pulsos ultracortos.
• En plásticos, la vía predominante es el UV a 355 nm, que rompe directamente los enlaces del polímero en lugar de calentar el material.
• Resolución a escala de micras, sin carbonizado, decoloración ni hollín.
• Es esencial donde el calor sería inaceptable: implantes médicos, PCB, películas delgadas y plásticos de precisión.

Marcado láser en frío

El marcado láser en frío utiliza luz ultravioleta de longitud de onda corta —normalmente 355 nm— para marcar un polímero rompiendo directamente sus enlaces químicos, en lugar de calentar el material hasta degradarlo. Al proceso se le suele llamar marcado atérmico o fotoquímico. No es literalmente frío, pero la zona afectada por el calor es lo bastante pequeña como para marcar piezas sensibles a la temperatura sin fusión, carbonizado ni distorsión.

La base física

La energía del fotón aumenta a medida que disminuye la longitud de onda. Un fotón infrarrojo de 1064 nm porta aproximadamente 1.2 eV, muy poco para romper un enlace covalente, por lo que su energía simplemente se convierte en calor. Un fotón ultravioleta de 355 nm porta cerca de 3.5 eV, comparable a la energía de disociación de un enlace carbono–carbono en la cadena principal de un polímero.

Con esa energía, el fotón absorbido puede cortar por completo la cadena del polímero. El material se retira o se altera por escisión fotolítica de enlaces, con solo un componente térmico modesto. De ello se derivan dos consecuencias, que son toda la razón de ser de la técnica:

• Una zona afectada por el calor muy pequeña, por lo que no hay borde fundido, ni halo carbonizado, ni microgrietas, ni distorsión dimensional.
• Fuerte absorción en la mayoría de los polímeros. Casi todos los polímeros orgánicos absorben bien en el UV, incluso los que son prácticamente transparentes a 1064 nm. Eso significa marcas de alto contraste en resinas naturales, transparentes y de colores claros sin incorporar un aditivo láser en la formulación.

Marcado en frío frente a marcado infrarrojo

Dónde se especifica

• Dispositivos médicos: marcas UDI que deben resistir la esterilización en autoclave, con rayos gamma o con óxido de etileno (EtO) sin comprometer el sustrato y sin un aditivo que complicaría la aprobación de biocompatibilidad.
• Componentes de pared delgada y de película, donde el marcado infrarrojo deformaría o perforaría la pieza.
• Polímeros transparentes y de colores claros, donde el marcado infrarrojo da poco o ningún contraste; consulte marcado láser de plásticos claros y transparentes.
• Códigos finos y micromarcado, donde una zona afectada por el calor reducida preserva la definición de celdas de la que depende la visión artificial.
• Aplicaciones sin aditivos, donde requisitos regulatorios, de contacto con alimentos u ópticos impiden incorporar un absorbente en la formulación.

La fuente suele ser un láser de vanadato (Nd:YVO4) de frecuencia triplicada. Frente a sus ventajas, deben ponderarse el mayor costo de capital, la menor productividad y la vida útil finita de la óptica de conversión de frecuencia. Para resinas de ingeniería pigmentadas y con carga que ya marcan bien térmicamente, un láser de fibra sigue siendo la respuesta más económica; la comparación se desarrolla en marcado láser UV frente a marcado láser de fibra.

Dos vías hacia una marca en frío

El término abarca dos tecnologías distintas, y confundirlas lleva a especificar una máquina costosa para un trabajo que la más económica hace bien. Ambas evitan una marca térmica, pero lo hacen con física diferente:

Para la gran mayoría del trabajo con polímeros, la vía ultravioleta es la respuesta correcta. Un sistema de pulsos ultracortos se justifica por un requisito específico: una característica submicrométrica, una película multicapa en la que debe marcarse una capa sin alterar la siguiente, o un componente óptico en el que cualquier daño subsuperficial es motivo de descalificación.

Calificación de una marca en frío en un dispositivo médico

El marcado en frío se especifica para dispositivos médicos más que en cualquier otro sector, porque entrega un identificador único de dispositivo (UDI) permanente sin un aditivo que reabriría una cuestión de biocompatibilidad. Eso sitúa la marca dentro del expediente maestro del dispositivo, por lo que la calificación debe documentarse y no solo tener éxito:

• Marque sobre el material del dispositivo terminado, en su color final y con la fracción de material reciclado que la producción realmente usará. Una calificación sobre una placa natural demuestra muy poco sobre una pieza moldeada pigmentada.
• Califique el código, no lo inspeccione visualmente. Los identificadores únicos de dispositivo se leen con máquina, por lo que el criterio de aceptación debe expresarse en términos de ISO/IEC 15415 para un símbolo bidimensional. Fije el grado mínimo, la apertura y la iluminación en el método de inspección, no solo en la instrucción al operador.
• Vuelva a calificar tras la esterilización. El autoclave de vapor, los rayos gamma y el óxido de etileno afectan de manera distinta las superficies poliméricas. Califique el símbolo después del número completo de ciclos validados, no después de una sola pasada.
• Confirme que no hay daño subsuperficial. Seccione y examine muestras en busca de microgrietas o turbidez bajo la marca, en particular en policarbonato y acrílico, donde el daño puede no ser visible desde la superficie.
• Delimite el disparador de recalificación. El cambio de lote de resina, el cambio de colorante, la deriva de potencia de la fuente y el reemplazo de ópticas deben nombrarse, cada uno, como eventos que exigen recalificar la marca.

Solución de problemas en marcas en frío

Términos y lecturas relacionadas

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Aplicación en producción

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Preguntas frecuentes

¿Qué hace que el marcado láser en frío sea «en frío»?

Que la marca se realiza sin calor significativo. Dos mecanismos distintos lo logran. El marcado ultravioleta a 355 nm porta suficiente energía por fotón para romper directamente los enlaces del polímero, por lo que el cambio es fotoquímico y no térmico. El marcado con pulsos ultracortos, con fuentes de picosegundos o femtosegundos, entrega la energía más rápido de lo que el calor puede difundirse fuera de la zona de interacción. Ninguno es literalmente frío, pero en ambos la zona afectada por el calor es lo bastante pequeña como para que las piezas sensibles a la temperatura sobrevivan sin marcas fuera de la característica prevista.

¿Es mejor el marcado láser en frío que el marcado láser tradicional?

Depende de la aplicación. El marcado láser en frío es superior cuando se trabaja con piezas delicadas, sensibles al calor o a microescala, donde el daño térmico sería inaceptable. Para el marcado de producción general sobre sustratos robustos, el marcado térmico convencional es más rápido y mucho más económico.

¿Qué láseres se usan para el marcado en frío?

Para plásticos, abrumadoramente una fuente de vanadato de frecuencia triplicada a 355 nm: es la vía económica y marca la mayoría de los polímeros sin aditivo. Las fuentes de picosegundos y femtosegundos también producen marcas en frío, superando la difusión del calor en lugar de recurrir a la fotoquímica, y se especifican cuando incluso la pequeña zona afectada por el calor del ultravioleta es demasiado, o cuando el sustrato no absorbe de forma útil en el ultravioleta. Cuestan considerablemente más.

¿Puede usarse el marcado láser en frío en plásticos?

Sí, y es particularmente adecuado para plásticos propensos a fundirse o decolorarse con el calor. Produce un marcado nítido y de alto contraste en materiales como la poliimida, el policarbonato y el ABS, que son sensibles al aporte térmico.

¿Es permanente el marcado láser en frío?

Sí. Las marcas creadas son permanentes y resistentes a la abrasión, y no se ven afectadas por la humedad, los productos químicos ni la exposición a UV, porque el cambio se realiza en el propio material y no se aplica sobre su superficie.

¿Es lo mismo el marcado en frío que el marcado con pulsos ultracortos?

No exactamente: el marcado con pulsos ultracortos es una de las dos vías que producen una marca en frío. En plásticos, la vía más común es el marcado ultravioleta a 355 nm, que evita el calor rompiendo enlaces por vía fotoquímica y no superando la difusión del calor. Los sistemas de picosegundos y femtosegundos logran un resultado similar a un costo sustancialmente mayor y se especifican cuando la aplicación realmente los necesita.

¿El marcado en frío evita la necesidad de un aditivo láser?

A menudo, pero no siempre. La mayoría de los polímeros absorben con mucha más fuerza en el ultravioleta que a 1064 nm, por lo que las resinas transparentes y de colores claros que no marcan con un láser de fibra marcan con facilidad con ultravioleta. El contraste en poliolefinas naturales sigue siendo modesto, por lo que, cuando se requiere un código de alto contraste, puede seguir siendo necesario un aditivo. Pruebe el grado real de producción en lugar de suponer.

¿Cómo se califica una marca en frío para el UDI de un dispositivo médico?

Califique el símbolo conforme a ISO/IEC 15415 en lugar de inspeccionarlo visualmente, marque sobre el material del dispositivo terminado en su color de producción y vuelva a calificar tras el número completo de ciclos de esterilización validados. Nombre el cambio de lote de resina, el cambio de colorante, la deriva de potencia de la fuente y el reemplazo de ópticas como disparadores de recalificación, ya que los cuatro modifican el contraste de la marca sin que se active alarma alguna.

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