Sistemas Láser Galvo Azul Independientes e Integrables

Aplicaciones de los Sistemas Láser Galvo Azul para Grabado

Los Sistemas Láser Galvo Azul para Grabado se aplican en una amplia gama de industrias. Si bien las aplicaciones industriales que requieren procesamiento rápido de materiales son habituales, estos sistemas también se emplean en los sectores agrícola, médico y de investigación. La lista de aplicaciones sigue expandiéndose, con nuevos usos surgiendo cada año. Entre las aplicaciones populares se incluyen el etiquetado por láser de alimentos, frutas y verduras; procesamiento láser de plantas, cultivos y malezas; grabado sobre madera, cerámica, plásticos y metales;

Ventajas del Láser Galvo Azul en Profundidad

A diferencia de otros tipos de grabadores láser galvo, un grabador láser galvo azul (es decir, un grabador láser galvo que utiliza un módulo láser con longitud de onda entre 445 nm y 450 nm) ofrece una precisión y eficiencia de proceso inigualables. La eficiencia del proceso de grabado para cualquier grabador láser galvo depende de dos parámetros principales:

1. Eficiencia de conversión electro-óptica del grabador láser galvo.

Este primer parámetro describe cuánta energía eléctrica consume un grabador láser galvo para producir una determinada potencia óptica de salida.

Tanto los láseres galvo azules como los láseres galvo de fibra presentan una eficiencia de conversión energía eléctrica a óptica comparable de 25-30 por ciento, mientras que un láser galvo de CO2 tiene una eficiencia de apenas 6-7 por ciento. Más importante aún, esta eficiencia del 6,5% solo considera la eficiencia en el tubo láser de CO2, por lo tanto, no incluye el consumo eléctrico del enfriador requerido por un tubo láser de CO2. Por consiguiente, en la práctica, la eficiencia de un láser de CO2 es aún más baja.

Un enfriador típico de láser galvo de CO2 tiene un COP (coeficiente de desempeño del enfriador) de 3 a 5. El valor COP indica la relación entre el calor disipado y la potencia eléctrica consumida por el enfriador. Con la eficiencia de conversión electro-óptica del tubo láser de CO2 en 6,5 por ciento, esto significa que un láser galvo de CO2 de 3.000 kW (3000 Vatios de consumo eléctrico) entrega 195 Vatios de potencia láser óptica. Y 2805 Vatios de potencia eléctrica se pierden como carga térmica, la cual debe ser disipada por el enfriador. Con un COP de 3-5, esto implica que el enfriador de un láser de CO2 de 3 kW consumirá entre 935 Vatios y 561 Vatios adicionales. Por lo tanto, la eficiencia total electro-óptica de un sistema láser galvo de CO2 está entre 4,96 por ciento (=195/3935) y 5,48% (=195/3561).

En comparación, los láseres galvo de fibra y los láseres galvo azules tienen una eficiencia total de conversión electro-óptica de 20-25%.

Suponiendo un periodo de 10 000 horas de trabajo y un precio de kWh de $0,24, un solo láser de CO2 de 200 W (con un consumo de 3935 W) genera $9444 adicionales en costos eléctricos. En el mismo periodo de 10 000 horas, un grabador láser galvo con módulo láser azul de 200 W consume solamente $1920-$2880 en electricidad. De forma análoga, un grabador láser galvo azul de 50 W consume $480-$720 en 10 000 horas de funcionamiento. Con los costos operativos incluidos, emplear un grabador láser galvo azul en una línea de producción es más rentable que utilizar un galvo láser de CO2 incluso si la longitud de onda de CO2 tiene un 40% mayor tasa de absorción sobre un material dado. De hecho, es posible usar dos (o más) grabadores láser galvo azules en lugar de un solo galvo láser de CO2 y conseguir tanto mayor productividad como ahorro económico.

2. Absorción del material grabado respecto a la longitud de onda del láser galvo

El segundo parámetro describe cuánto de la potencia del haz láser entrante es absorbida y convertida en trabajo útil. Esto varía entre materiales, sin embargo, para la mayoría, la longitud de onda del láser galvo azul presenta una mayor absorción que las longitudes de onda de láseres galvo de fibra y de CO2.

Esto se acentúa particularmente en las cerámicas, sobre todo en cerámicas técnicas como alúmina (Al₂O₃), carburo de boro (B₄C), carburo de silicio (SiC), diboruro de titanio (TiB₂) y carburo de tungsteno (WC). En cerámicas técnicas, la absorción de la longitud de onda del grabador láser galvo azul aumenta exponencialmente con la temperatura. De hecho, cerca de su punto de fusión, la absorción de la longitud de onda azul en 6H-SiC puede superar por 6000 veces la de la longitud de onda de un láser de CO2.

Rendimiento de Láser Galvo para Diferentes Aplicaciones de Grabado

Grabadores Láser Galvo en Madera y Materiales Derivados

Para madera y materiales a base de madera, el grabador láser galvo azul (445-450 nm) ofrece el mejor rendimiento. Esto se debe a los mucho mayores costos operativos de un láser de CO2, que lo convierten en una opción más costosa a largo plazo. Los láseres galvo de fibra presentan el peor desempeño en esta aplicación por su escasa absorción en comparación con los otros dos tipos principales de grabadores galvo.

Caso de Estudio: Grabado Láser Galvo en Contrachapado, Pino y Haya

El siguiente video muestra un grabador láser galvo azul de 30 W en el proceso de grabado láser sobre una pieza de contrachapado. Midiendo 8 cm por 2 cm (3.15 pulgadas por 0.8 pulgadas), el grabado se realiza en aproximadamente un segundo con el galvo láser azul de Opt Lasers.

El grabador láser galvo azul tiene una eficiencia de 20-25% y, según trabajos científicos disponibles, la longitud de onda azul de 445-450 nm presenta una tasa de absorción del 68% y 73% en madera de pino y haya respectivamente. Un grabador láser galvo de CO2 presenta una eficiencia total de 5% y su longitud de onda tiene una absorción del 85% y 88% en los mismos materiales. Por tanto, un cálculo sencillo muestra que un grabador láser galvo azul es aproximadamente 3,4 veces más eficiente que uno de CO2 a igual consumo de potencia. El gráfico, extraído del trabajo académico previamente citado, muestra las tasas de absorción para estos materiales.

Grabadores Láser Galvo en Cuero

El grabado láser de cuero es más eficiente cuando se realiza con un grabador láser galvo azul. El grabado con láser galvo de CO2 produce marcas de quemado, es mucho más lento y resulta considerablemente más costoso. Un láser galvo de fibra de 1,06 µm presenta el peor comportamiento para el grabado de cuero, ya que el 80% de su haz láser es reflejado por la superficie del material.

Caso de Estudio: Grabado láser galvo en cuero

A continuación puede ver un video que muestra el proceso de grabado en cuero con un grabador láser galvo azul de 30 W. El grabado en el cuero se realiza en menos de un segundo.

Investigaciones académicas han demostrado que la reflexión de la longitud de onda azul del láser es del 12% para un haz láser azul de 445 nm y aproximadamente del 62% para un haz láser de fibra de 1,06 µm. Dado que el haz azul es visible, esto significa que la tasa de absorción del haz azul en cuero es del 88%. Como máximo solo el 38% del haz láser de fibra de 1,06 µm puede ser absorbido por el cuero, lo que garantiza que un grabador láser galvo de fibra de 1,06 µm tendrá un rendimiento inferior en el grabado de cuero. De hecho, cualquier láser con una longitud de onda superior a 550 nm tendrá un rendimiento inferior al de un láser azul en aplicaciones de grabado en cuero.

Los láseres galvo de fibra tendrán un rendimiento inferior al de un láser galvo azul para el grabado de la mayoría de las variedades de cuero natural tanto de mamíferos como de reptiles. Estas variedades de cuero incluyen pieles de animales como cerdo, bovino, ovino, lagarto, serpiente y cocodrilo. Si bien los láseres galvo de fibra presentan una mayor tasa de absorción de longitud de onda en cuero regenerado y cuero de ciervo, su rendimiento en el grabado de cuero de ciervo puede igualar únicamente al de un grabador láser galvo azul.

Aunque no existen datos de absorción (ni reflexión) para longitudes de onda superiores a 2,5 µm, se puede suponer que el comportamiento de absorción para longitudes de onda más largas sigue el de la melanina, que es un pigmento natural presente en la mayoría de los organismos y el principal determinante del color de la piel. La imagen siguiente muestra que la absorción de melanina disminuye con el incremento de la longitud de onda del láser. Además, el artículo de la Universidad de Cambridge sobre la melanina, del cual se origina este gráfico, indica que la absorción en la melanina está prácticamente atenuada por completo para longitudes de onda superiores a 700 nm.

Grabadores Láser Galvo en Metales

Los metales difieren de otras aplicaciones de grabadores láser galvo, porque los metales presentan una conductividad térmica muy alta. Por esta razón, para grabar material metálico de manera eficiente, es necesario disponer de un haz láser altamente enfocado con alta densidad de potencia o un láser con alta energía de pulso. Además, el material metálico debe tener una alta tasa de absorción a la longitud de onda del láser empleado. Esto implica que los láseres más eficientes para grabado en metales son los grabadores láser galvo azules de alta potencia, los grabadores láser galvo de fibra pulsada, así como cabezales láser azules de alta densidad de potencia óptica. Los láseres galvo de CO2, por otro lado, son altamente ineficientes para el grabado de metales.

Caso de Estudio: Grabado Láser Galvo en Metales

Los dos videos presentan un láser galvo azul marcando acero inoxidable y acero para herramientas.

Las tasas de absorción varían según el metal, como indica el gráfico siguiente. El gráfico presenta tasas de absorción para longitudes de onda entre 200 nm y 12,8 µm para metales de uso común como cobre, oro, titanio, aluminio (sin recubrimiento), níquel y plata.

Otro gráfico presentado a continuación muestra las tasas de reflexión para diversos metales. Además de los materiales mencionados en el gráfico anterior, también muestra el comportamiento de metales adicionales como hierro puro, tungsteno, platino, cromo, berilio y molibdeno. Sin embargo, es importante destacar que el gráfico de reflectancia mostrado corresponde a superficies metálicas perfectamente lisas, ya que cuanto menos lisa es una superficie, mayor es la absorción de longitudes de onda láser más cortas.

A partir de los datos presentados por los dos gráficos anteriores, se deduce que un láser galvo azul será más eficiente que los láseres galvo de mayor longitud de onda para grabar en todos los metales mencionados anteriormente, excepto cromo. Los metales para los cuales un grabador láser galvo azul será críticamente más eficiente son oro, cobre, platino y tungsteno. De forma interesante, un láser galvo azul no solo puede grabar cobre, sino también realizar microuniones por láser en cobre.

Sin embargo, en el caso del aluminio sin recubrimiento (y perfectamente liso), un láser galvo de fibra con longitud de onda entre 500 nm y 900 nm será una opción más eficaz. Un láser galvo azul sigue siendo más eficiente para aluminio sin recubrimiento que un láser galvo de fibra de 1,06 µm, que es el más usado comúnmente.

Resulta interesante que el grabado de tungsteno con láser galvo azul es una aplicación muy eficiente, especialmente si la superficie de tungsteno no es lisa, tal como se muestra en la imagen de la parte derecha inferior. El video de la izquierda presenta un grabador láser galvo azul de 30 W grabando tungsteno.

Grabadores Láser Galvo en Tejidos y Textiles

En la aplicación de procesado láser de tejidos y textiles, un grabador láser galvo azul también es una mejor solución que otros tipos de grabadores láser galvo. Esto aplica tanto para tejidos naturales como artificiales. Los láseres galvo de fibra de 1,06 µm presentan dificultades con los textiles, ya que la mayoría de los tejidos reflejan las longitudes de onda de los láseres de fibra. Igualmente, es posible grabar y cortar tejidos y textiles con láseres galvo de CO2, aunque el proceso es mucho más lento y conlleva costes operativos significativamente superiores a los de un láser galvo azul.

Caso de Estudio: Grabado Láser Galvo en Tejidos y Textiles

El video inferior muestra un láser galvo azul de 30 W en proceso de grabado sobre algodón, el cual toma solo una fracción de segundo.

En los dos gráficos siguientes se pueden observar las tasas de reflexión para diferentes tejidos como algodón, nailon, rayón, poliéster, acrílico, lana y cachemira. El espectro de longitudes de onda cubierto en los gráficos está entre 350 nm y 2,35 µm. La tasa de absorción de la longitud de onda de 450 nm de un láser galvo azul está entre un 74% y un 97%, con una tasa típica de absorción del 90%.

Sin embargo, cabe señalar que los tejidos y textiles están disponibles en diversos colores. Un grabador láser galvo azul grabará más rápido cuanto más oscuro sea el material. En general, en el caso de un láser azul, la velocidad dependerá del tinte y la tonalidad del textil o tejido en particular. Los láseres azules también tendrán un peor desempeño en textiles y tejidos muy reflectantes, azules o blancos. No obstante, un láser galvo azul sigue siendo la mejor solución para grabar (y cortar) tejidos y textiles, y superará a cualquier láser de CO2 o de fibra.

Grabadores Láser Galvo en Alimentos y Materiales Orgánicos

Los láseres galvo de fibra y de CO2 presentan dificultades para grabar alimentos y la gran mayoría de materiales orgánicos. Esto se debe a que los alimentos y materiales orgánicos presentan un alto contenido en agua, a menudo de hasta un 70%. El agua absorbe la mayor parte del espectro láser; sin embargo, transmite prácticamente por completo los haces láser azules, ya que el coeficiente de absorción para el agua es de 3*10^-4 cm-1 para un láser de 450 nm. Para una longitud de onda de 1,06 µm, la tasa de absorción es 6000 cm-1, mientras que para un haz láser de CO2 de 10,6 µm la absorción es aún mayor, llegando a 7000000 cm-1. Esto significa que prácticamente toda la potencia de los haces láser de CO2 y de fibra se consume en evaporar el agua, mientras que el láser azul ignora el contenido de agua y graba directamente el material orgánico que se requiere grabar, haciendo el proceso mucho más rápido.

Adicionalmente, las especies vegetales presentan una altísima absorción para haces láser galvo azules. La tasa de absorción de la longitud de onda de un láser galvo azul sobre vegetación verde llega hasta el 93%, como muestra el gráfico siguiente.

No obstante, existen materiales orgánicos para los que otros tipos de láseres galvo son aptos. Por ejemplo, la hidroxiapatita (a veces incorrectamente identificada como hidroxilapatita) es un componente principal del esmalte dental. La hidroxiapatita, en forma ligeramente modificada, también compone hasta el 70% del hueso humano. Dado que la hidroxiapatita se absorbe mucho mejor con el haz de un láser galvo de CO2 de 10,6 µm, este tipo de grabador láser galvo será el más eficiente para cortar y grabar en huesos y dientes. El gráfico de absorción de longitud de onda sobre compuestos tales como hemoglobina, hidroxiapatita, melanina y agua se muestra abajo. Indica que la longitud de onda de 10,6 µm de un láser galvo se absorbe 10.000 veces más que la longitud de onda de un láser azul.

Sin embargo, el gráfico anterior también muestra que los láseres azules son los haces más eficientemente absorbidos por la hemoglobina, lo cual implica que un láser galvo azul es la solución más óptima para procedimientos quirúrgicos.

Grabadores Láser Galvo en Cerámicas

La categoría cerámicas comprende tanto cerámicas manufacturadas como alúmina o diboruro de titanio, así como variedades de piedra natural como la bauxita y el mármol.

Las cerámicas suelen reaccionar mejor a longitudes de onda más cortas. No obstante, las tasas de absorción para las distintas cerámicas varían considerablemente, siendo los láseres galvo azules la mejor solución para cerámicas técnicas utilizadas en componentes de blindaje. Esto incluye blindaje cerámico en tanques y chalecos antibalas. Algunas de las cerámicas técnicas que pueden grabarse eficientemente con láseres azules también se emplean en proyectiles perforantes y artillería. En cerámicas técnicas utilizadas en elementos de blindaje, la absorción a la longitud de onda de un grabador láser galvo azul, en comparación con láseres galvo de mayor longitud de onda, aumenta exponencialmente con la temperatura. Tales cerámicas incluyen alúmina (Al2O3), carburo de boro (B4C), carburo de silicio (SiC), diboruro de titanio (TiB2) y carburo de tungsteno (WC).

Efectivamente, en el caso de la alúmina fundida, la tasa de absorción se incrementa drásticamente para longitudes de onda más cortas. Así, la absorción de la longitud de onda de un láser azul por la alúmina fundida es hasta 300 veces mayor que la de la longitud de onda de un láser de fibra, según lo indicado en el gráfico siguiente. [V.K. Bityukov et al., Absorption Coefficient of Molten Aluminum Oxide in Semitransparent Spectral Range, Applied Physics Research, Page 51, Vol. 5, January 2013. DOI: 10.5539/APR.V5N1P51].

Otros tipos de grabadores láser Galvo suelen presentar dificultades con estos materiales. Un láser galvo de fibra, aunque con un rendimiento muy inferior al de un láser galvo azul, aún suele funcionar mejor que un láser galvo de CO2, con la excepción de la cerámica de alúmina. Sin embargo, para estas cerámicas técnicas, un grabador láser galvo azul ofrece un incremento drástico en la productividad en la fabricación.

El gráfico a continuación muestra las tasas de absorción de diferentes láseres galvo sobre carburo de silicio. Es importante señalar que cada aumento de 300 grados Kelvin corresponde, aproximadamente, a un desplazamiento de 0,2 eV en la absorción hacia longitudes de onda más cortas.

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