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Tecnologías de codificación láser

Los láseres son una manera muy rápida de imprimir códigos permanentes de alta calidad. Sin usar consumibles, su costo de propiedad es extremadamente bajo. En las líneas de producción de volumen medio, por ejemplo, la recuperación de la inversión puede ser inferior a tres años.

Marcas permanentes de alta calidad

Los láseres funcionan mediante "ablación" y luego grabación del sustrato. La ablación elimina material de la zona a marcar, tal como una capa de metal o de tinta en un paquete de impresos. Luego graban un surco fino en este parche nuevo. Debido a que la marca es indeleble, son perfectos para la protección de la marca o donde el código necesita sobrevivir durante la vida del producto.

Las aplicaciones típicas de codificación láser son impresión de texto legible tanto en envases primarios y secundarios, y códigos de barras en las cajas de cartón. Se utilizan en una amplia gama de industrias, desde bebidas, farmacéutica y snacks de alimentos, hasta la producción de los metales industriales. Los láseres pueden codificar sobre vidrio, plásticos (tales como PET, poliestireno y polipropileno), metal y cartón.

Los láseres son a menudo considerados como una nueva tecnología, pero de hecho han estado en existencia mas de lo que mucha gente piensa. La teoría de los láseres se sugirió en 1957 y el primer láser fue construido en 1960. Mucho antes de eso, al final del siglo, Einstein produjo ecuaciones que describen el principal mecanismo físico por el cual se produce la acción del láser, aunque esto era desconocido para él en aquel tiempo.

Muchas empresas e instituciones del gobierno se interesaron en los láseres y comenzaron a desarrollarlos por su propia cuenta sin ninguna aplicación específica en mente. Como resultado, los láseres llegaron a conocerse como "una solución en busca de un problema". Hoy en día los láseres se desarrollan para tareas específicas y sus características se han desarrollado para cumplir con los requisitos de la aplicación.

Los láseres probablemente tienen una de las más amplias gamas de aplicaciones que cualquier otro tipo de dispositivo, incluyendo el corte y soldadura de metales, la cirugía, la lectura y transmisión de datos, la holografía, la medición precisa de los parámetros físicos, pruebas no destructivas, y la codificación y marcaje de productos en la línea de producción.

Los sistemas de marcado láser llegaron al mercado hace unos 30 años. Estos primeros sistemas empleaban láseres científicos y no fueron diseñados para hacer frente a los ambientes polvorientos,  húmedos y duros que se encuentran en muchas fábricas. Tampoco fueron diseñados para un funcionamiento continuo 24 horas al día, 7 días a la semana,  algo que damos por sentado hoy en día.

Figura: ejemplos de dispositivos codificadores

Figura: Codificador Láser

Figura : Ejemplos de grabado láser sobre diferentes materiales

El objetivo inicial era, por tanto, 'endurecer' estos sistemas en lugar de desarrollar nuevos formatos tecnológicos para hacer frente a los cambiantes requerimientos del mercado.

Todos los láseres comparten los mismos principios básicos, pero se diferencian por la forma en que los productos están diseñados, por los materiales utilizados y las características del haz de salida del láser.

Componentes láser

Hay tres componentes principales en cualquier láser:

El medio láser: Esto puede ser un gas tal como el dióxido de carbono (C02), un sólido tal como el neodimio: Itrio aluminio granate (Nd: YAG) o un líquido tal como un colorante. Una de las propiedades de un medio láser es que éste puede almacenar la energía de una manera específica conocida como inversión de población. El medio láser emitirá luz (fotones) como una manera de eliminar el exceso de energía almacenada.

Figura: Diagrama de láser de gas

El mecanismo de excitación: Este es el mecanismo por el cual se aplica la energía para excitar las partículas (átomos o moléculas) del medio activo láser. La energía puede ser aplicada en forma de una corriente eléctrica, descarga eléctrica, fuente de luz, etc. El resonador óptico: Este es el sistema que extrae la energía almacenada del medio de la acción láser en forma de un haz de láser. En su forma más simple, el resonador óptico consta de un espejo en cada extremo del medio de acción láser. Estos espejos son paralelos entre sí de modo que los fotones que viajan a lo largo del eje de los dos espejos se reflejan continuamente hacia atrás y hacia delante ( resuenan ) entre los espejos. Un espejo es 1000/0 reflectante; el otro es parcialmente reflectante, de modo que transmite algunos de los fotones que inciden sobre el mismo.

Proceso de generación del haz de láser

A medida que los fotones pasan a través del medio láser éstas hacen que las partículas excitadas del medio láser liberen el exceso de energía en forma de otros fotones por un proceso llamado emisión estimulada.

Estos nuevos fotones son idénticos a los fotones originales que causaron la emisión estimulada. Ellos son del mismo color (longitud de onda), viajan en la misma dirección y están en fase. Los fotones transmitidos por el espejo parcialmente reflectante forman el haz de láser. Los fotones restantes se reflejan de vuelta a través del medio láser para continuar el proceso de emisión estimulada.

El proceso de marcado

El marcado con láser se consigue mediante la eliminación de material del sustrato o por el cambio de la superficie del sustrato. La consideración más importante es lo bien que el material que está siendo codificado absorba el haz de láser. Esto puede determinar el tipo de láser que se utiliza ya que diferentes longitudes de onda pueden tener diferentes características de absorción. Si el haz de láser se transmite o se refleja entonces  la codificación se hace más difícil o incluso imposible.

Para obtener resultados óptimos, el rayo láser tiene que ser absorbido en las pocas micras de la superficie del material, de modo que suficiente densidad de energía se produzca para modificar la superficie por uno de los tres procesos siguientes:

  • Eliminación de revestimiento: El láser es absorbido por el revestimiento de la superficie y lo vaporiza para revelar un sustrato que contraste. Un ejemplo de este proceso es la eliminación de tinta de color impresa sobre papel blanco o tarjeta.
  • Grabado: El láser vaporiza el material de la superficie del sustrato sin producir ningún cambio de color. (Este es el proceso que se produce en el marcado láser de PET). La marca resultante es similar a una impresión en relieve.
  • Termoquímica: El láser cambia el material mediante su calentamiento a una temperatura suficientemente alta para romper los enlaces moleculares. El nuevo material formado por este proceso puede tener un color diferente, produciendo así una marca perceptible.

Clasificación de sistemas de marcado láser

La mayoría de los sistemas de marcado láser utilizan uno de dos tipos de láser:

C02, utiliza una mezcla de gases que son excitados por una descarga eléctrica. Estos láseres tienen una salida de infrarrojos de longitud de onda de 10,6 micras.

Nd: YAG, este es un cristal que comúnmente es excitado por una lámpara de flash (una fuente de luz intensa) o por un láser de diodo. Se produce una salida láser infrarrojo de longitud de onda de 1,06 micras.

Hay tres tecnologías de sistemas distintos:

  • Láser de rayo dirigido
  • Máscara láser
  • Láser de matriz de puntos

Láser de rayo dirigido

Estos sistemas también son conocidos como láseres tipo lapicera porque escriben en forma similar a como se usa una lapicera.  Los primeros sistemas basados ​​en láser pulsado de Nd:YAG, se introdujeron en 1969. Los sistemas que utilizan láseres de onda continua (CW) de C02 no se introdujeron hasta principios de 1980.

Una lente se utiliza para enfocar el haz de láser a un punto pequeño en la superficie del producto estático. Dos espejos movidos por un galvanómetro mueven el punto sobre la superficie del producto para dibujar la marca o la imagen requerida. El rayo láser se activa cuando se requiere la codificación y se apaga cuando no se la requiere, en la misma forma que una pluma se mueve sobre el papel de escribir y se levanta cuando la escritura se ha completado. La rotación de los dos espejos impulsados por el galvanómetro es controlado por un ordenador. Las computadoras se basan a menudo en las PC de escritorio y aceptan la información de marcado desde una amplia gama de paquetes de software que incluyen procesadores de textos, sistemas CAD, bases de datos, etc.

Los sistemas de guiado de haz son capaces de producir alta calidad de marca en grandes áreas, hasta 160 x 160 mm. Debido al tamaño de la zona a marcar, se utilizan lentes especiales de campo plano. Esto es para evitar la degradación de la calidad de impresión que ocurriría de otra manera cuando el marcado se mueve progresivamente más lejos de la línea central de la lente, haciendo que la posición óptima del punto focal sea desplazada lejos de la superficie a marcar.

Dado que estos sistemas sólo dibujan líneas donde se requiera, hacen un uso muy eficiente del haz de láser. Esto permite el uso de láseres de C02 de baja potencia (10-20 W), refrigerados por aire en los sistemas de precios relativamente bajos.

Con el desarrollo de la tecnología, el aumento de las velocidades del galvanómetro y las reducciones en el costo de la potencia de cálculo, nuevos sistemas se van poniendo en marcha que permiten codificar productos en movimiento a una velocidad relativamente baja. Sin embargo, incluso a bajas velocidades, el área de marcado se reduce en gran medida, las esquinas se vuelven redondeadas, no pueden ser producidos caracteres en negrita y las capacidades de fuentes y gráficos se vuelven muy limitadas.

Láseres Máscara

Introducidos por primera vez en la década de 1970, estos sistemas utilizan un haz de láser pulsado con una gran área de sección transversal, típicamente 25 x 28 mm. El haz ilumina una máscara de metal fino en el cual se ha grabado la imagen o el código requerido. La luz del láser que golpea el metal de la máscara se refleja y se pierde. La luz que pasa a través de la máscara es recogida por una lente y transmitida sobre el producto. La imagen generada por este proceso replica incluso los detalles más finos del patrón de grabado en la máscara. El tamaño de la imagen o el código se pueden ajustar eligiendo las posiciones adecuadas para la máscara, la lente y el producto.

Los láseres son predominantemente del tipo TEA C02 (Transversely Excited, Atmospheric pressure, o excitado transversalmente, a presión atmosférica) que tienen potencias de pico elevadas (2-12 MW) y corta duración de pulso (3-6 µs). Estas dos características, más el hecho de que toda la imagen se marca a la vez, dan a los láseres máscara su capacidad de codificación única.

Estos pueden codificar productos que se mueven a velocidades muy altas (mayores a 500 m / min), lo que es ideal para aplicaciones de codificación en líneas de embotellado de alta velocidad, por ejemplo, en las cervecerías. Los láseres pueden producir energía suficiente para codificar pequeñas de fechas de caducidad y números de lote, a razón de 30 productos por segundo.

Códigos de 3 a 5 dígitos más pequeños se pueden imprimir a velocidades de hasta 100 productos por segundo. Debido a que el código está grabado en máscaras de metal, el formato de código es fijo y normalmente sólo se puede cambiar mediante la adaptación de una nueva máscara. Esta limitación puede superarse poniendo información sobre el código en discos giratorios controlados por computadora para proporcionar en forma automatizada la hora, la fecha y la codificación numérica. Sin embargo, los formatos no se pueden cambiar rápidamente, y las unidades de disco añaden costos significativos a un sistema ya caro.

En general, los sistemas son grandes, requieren unidades externas de refrigeración y suministros de gas externos. Además, se diseñan para adaptarse a una línea en particular y por lo tanto se convierten en dedicados a esa línea.

Láser de matriz de puntos

Presentado por primera vez a finales de 1980, estos láseres se desarrollaron para dar codificación láser programable y flexible, aumentando la versatilidad de la marca del láser y la ampliando la aplicación de esta tecnología.

El código se programa en el sistema de marcado a través de un teclado. Un microprocesador convierte el código en un patrón de puntos y sincroniza la activación del láser, el control del sistema de exploración (cuando se utiliza) y el movimiento del producto a ser codificado de tal manera que cada uno de los puntos se posiciona con precisión sobre el producto.

Parámetros de marcado

Muchos parámetros afectan tanto a la capacidad de que un producto pueda ser codificado como la velocidad a la que se lo puede hacer. He aquí una breve lista de algunos de los parámetros más comunes que se relacionan con la codificación de matriz de puntos.

Absorción: Los metales desnudos reflejan la luz láser C02 y no se pueden codificar. Se requiere un recubrimiento absorbente. Algunos plásticos transmiten la luz láser C02 y no pueden ser codificados. Es necesario incluir aditivos en el plástico que absorba la luz o usar un láser con una longitud de onda diferente, por ejemplo, un láser de Nd: YAG.

Tiempo de permanencia: Diferentes materiales requieren diferentes densidades de energía para producir un código. Cuanto más largo es el tiempo de permanencia, más lenta será la velocidad máxima de codificación. Por ejemplo sobre cartón reciclado, la tinta impresa es generalmente absorbida más lejos en la superficie y por lo tanto el láser requiere un tiempo de permanencia más largo para quitarla.

Tratamientos de superficie: Si una superficie tiene una capa barnizada, el láser tiene que quitar el barniz antes de que pueda codificar la superficie, y esto requerirá una mayor densidad de energía.

Altura de impresión (número de puntos verticales en un código / número de líneas de texto): Cuantos más puntos (toques) hay en una línea vertical,  más tiempo tardará en imprimir esa línea y, por tanto, más lenta será la velocidad máxima del producto.

Ventajas del uso de la codificación láser

En aquellas aplicaciones donde el láser es un método de codificación adecuado, éste trae consigo una serie de beneficios atractivos:

  • Códigos indelebles: los códigos son grabados en la superficie (sin remoción no autorizada; anti-falsificación).
  • Códigos de la alta calidad: algunos sistemas pueden generar una impresión próxima a calidad de carta (near letter quality printing).
  • Códigos claros: no se requieren materiales adicionales, sólo la extracción de los subproductos generados durante el proceso de marcado láser.
  • Bajo mantenimiento: mínimos controles semanales a intervalos de servicio 4000 horas
  • Bajo coste de funcionamiento: bajo costo de consumibles
  • Alta confiabilidad: siendo la codificación un requisito legal en algunas industrias,  sin codificación es igual a ninguna producción, por lo que la fiabilidad es la clave. Los codificadores láser son algunos de los dispositivos de codificación y marcaje más fiables del mercado.
  • Sin contacto: permite la impresión a alta velocidad ya que no hay contacto físico con la superficie a ser impresa
  • Programación: permite que información variable pueda ser impresa

 

 

 

 

 

 

 
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