Lasers de varredura por feixe direcionado

Lasers de varredura por feixe direcionado

Principais conclusões

• Os espelhos se movem, não o laser nem a peça — é isso que torna possível a marcação em alta velocidade.
• Dois galvanômetros, um por eixo, movimentam o feixe dentro do campo de marcação.
• Uma lente de campo plano foca o feixe para obter alta densidade de potência em todo o campo.
• Velocidade de varredura, campo de visão e qualidade do feixe são os três limites que definem o que um cabeçote de varredura pode fazer.

Lasers de varredura por feixe direcionado

Um sistema de marcação a laser com feixe direcionado move o ponto focado do laser sobre uma peça estacionária por meio de espelhos rápidos controlados por computador, em vez de mover a peça ou o próprio laser. Dois espelhos leves, montados em motores galvanométricos, desviam o feixe em X e Y, e uma lente de campo plano mantém o foco em toda a área de marcação. A peça fica parada; apenas o feixe se move.

Essa é a arquitetura por trás de praticamente toda a marcação industrial moderna, e é por isso que a marcação a laser se tornou viável para produção em alta velocidade.

Como funciona o trem óptico

• Expansor de feixe. Amplia o feixe bruto para que a lente de focalização produza um ponto menor — quanto maior o feixe na lente, mais fechado o foco.
• Espelhos galvanométricos X e Y. Espelhos de inércia muito baixa, acionados por motores galvo em malha fechada, capazes de se reposicionar em frações de milissegundo.
• Lente f-theta. O componente crítico. Uma lente comum foca em uma superfície curva, o que deixaria a marcação fora de foco longe do centro. A lente f-theta é corrigida para que o plano focal seja plano e o deslocamento seja linearmente proporcional ao ângulo de varredura, mantendo a geometria sem distorção.

Tamanho do campo, tamanho do ponto e o compromisso entre eles

A distância focal da lente f-theta define o campo de marcação, e não pode ser escolhida sem consequências:

Um campo maior sempre custa resolução e densidade de potência. Como a irradiância é a potência dividida pela área do ponto, um ponto maior distribui a mesma potência de forma mais rala — o que, em um polímero de absorção marginal, pode ser a diferença entre ter marcação ou não. Especificar um campo superdimensionado “por flexibilidade” é um erro comum e caro.

Três eixos e focalização dinâmica

Um sistema padrão de dois eixos marca em um plano. Adicionar um módulo de focalização motorizado antes dos galvos — um terceiro eixo — permite variar a altura focal em tempo real, de modo que peças plásticas com contornos, degraus e superfícies cilíndricas sejam marcadas em foco do início ao fim. Em componentes moldados com ângulo de saída ou curvatura significativos, isso costuma ser essencial, e não opcional.

Parâmetros controlados pelo operador

• Velocidade de marcação — taxa de deslocamento do espelho que, junto com a potência e a taxa de repetição, define a energia entregue por unidade de comprimento.
• Velocidade e atrasos de salto — a rapidez com que o feixe se reposiciona entre segmentos marcados. Atrasos de salto, de marcação e de polígono incorretos causam os defeitos clássicos: cantos queimados e inícios e finais arredondados nos vetores.
• Padrão de hachura e espaçamento entre linhas — em áreas preenchidas, controlam tanto a aparência quanto o aporte de calor acumulado.
• Deslocamento de foco — a desfocalização deliberada às vezes é usada para alargar o ponto e suavizar a marcação.

Em plásticos, esses parâmetros de temporização importam mais do que em metais, porque os polímeros toleram muito menos o acúmulo localizado de calor causado por atrasos mal ajustados. Um guia de solução de problemas está reunido em solução de problemas comuns de gravação a laser em plásticos.

Parâmetros de atraso e por que as marcações se distorcem

Os espelhos galvanométricos têm massa e, por isso, ficam atrasados em relação ao sinal de comando. Todo cabeçote de varredura expõe, portanto, um conjunto de parâmetros de atraso que sincronizam o laser com os espelhos. Esses ajustes são responsáveis pela maioria dos defeitos geométricos de marcação e, com frequência, permanecem nos valores de fábrica:

Esses parâmetros interagem com a velocidade de marcação; assim, uma receita ajustada para uma velocidade apresentará defeitos de cantos e finais de linha quando a velocidade mudar. Reajuste os atrasos sempre que a velocidade de marcação mudar de forma significativa, em vez de tratá-los como constantes da máquina.

Calibração do campo e correção de distorção

Uma lente f-theta converte a deflexão angular dos espelhos em um plano focal plano, mas o mapeamento nunca é perfeito e se degrada em direção às bordas do campo:

• Os arquivos de correção são específicos de cada lente. O cabeçote de varredura aplica uma tabela de correção de distorção compatível com a lente instalada. Instalar uma distância focal diferente sem carregar o arquivo correspondente produz marcações dimensionalmente erradas nas bordas do campo, mas aparentemente corretas no centro.
• As distorções em barril e em almofada aparecem como linhas retas curvadas perto do perímetro do campo. Trata-se de um problema de calibração, não mecânico.
• Verifique com uma grade, não com uma peça. Marcar uma grade de campo completo e medi-la revela erro de escala, inclinação e distorção que uma única marcação pequena no centro jamais mostrará.
• Mantenha a área de trabalho dentro do campo nominal. Precisão, tamanho do ponto e foco se degradam em direção às bordas; por isso, uma peça posicionada no extremo do campo será marcada pior do que a mesma peça no centro.
• Recalibre após qualquer alteração óptica — a troca de lente, janela de proteção ou cabeçote justifica uma nova verificação com grade.

Solução de problemas de artefatos do cabeçote de varredura

Termos e leituras relacionados

• Soluções de marcação a laser em plásticos
• Irradiância do laser
• Como marcar plástico com laser
• Marcação a laser e códigos de visão de máquina para rastreabilidade

Aplicação na produção

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Perguntas frequentes

O que é um laser de feixe direcionado?

Um sistema a laser que usa componentes ópticos dinâmicos — espelhos galvanométricos ou scanners MEMS — para direcionar e controlar rapidamente a posição do feixe sem mover a fonte do laser nem a peça. É a arquitetura padrão da marcação industrial.

Como funciona, na prática, o direcionamento do feixe?

Espelhos ajustáveis se inclinam ou giram para mudar a direção do feixe, com um galvanômetro cuidando do eixo X e outro do eixo Y para gerar o movimento dentro do campo de marcação. Um conjunto de lente de campo plano então foca a luz para obter alta densidade de potência na superfície.

Por que direcionar o feixe é mais rápido do que mover a peça?

Porque os espelhos têm muito menos massa do que uma peça ou um cabeçote laser. O movimento rápido do feixe permite altas taxas de processamento em gravação, marcação, corte e manufatura aditiva que sistemas de movimento mecânico não conseguem igualar.

O que limita o desempenho de um cabeçote de varredura?

Os limites de velocidade de varredura e aceleração do movimento dos espelhos ou do scanner restringem a velocidade de processamento. O campo de visão é definido pela faixa de ângulos dos espelhos e pela configuração óptica. E manter o foco do feixe em todo o campo limita a qualidade alcançável.

Para que serve uma lente de campo plano?

Ela foca o laser para manter alta densidade de potência em todo o campo de marcação, compensando o fato de que um feixe direcionado percorreria distâncias diferentes até pontos diferentes, desfocando em direção às bordas do campo.

Por que os caracteres saem com borrões nas pontas dos traços?

Atrasos de laser ligado e laser desligado mal ajustados. Os espelhos galvanométricos têm massa e ficam atrasados em relação ao sinal de comando; por isso, o cabeçote precisa de parâmetros de atraso para sincronizar o feixe com o movimento dos espelhos. Um borrão significa que o feixe dispara enquanto os espelhos ainda estão quase parados. É uma falha de temporização; reduzir a potência apenas afina toda a marcação, sem resolver o problema.

Os atrasos do cabeçote precisam ser reajustados quando a velocidade de marcação muda?

Sim, sempre que a mudança for significativa. Os atrasos compensam a estabilização dos espelhos, e essa necessidade cresce com a velocidade em que eles são acionados. Uma receita ajustada para uma velocidade apresentará cantos arredondados e artefatos nos finais de linha em outra, e por isso os atrasos de fábrica costumam gerar marcações aceitáveis em um trabalho e ruins no seguinte.

Por que as marcações ficam dimensionalmente corretas no meio do campo, mas erradas nas bordas?

Quase sempre é um arquivo de correção de lente que não corresponde à lente instalada. O cabeçote aplica uma tabela de correção de distorção específica para a distância focal instalada, e trocar de lente sem carregar o arquivo correspondente deixa o centro preciso enquanto as bordas se curvam e se deslocam. Verifique com uma grade de campo completo, e não com uma única marcação central, que nunca revelará o erro.

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