Introdução

A tecnologia de gravação a laser consiste na geração controlada de um feixe de luz focado, cuja energia aquece o ponto de impacto num material opaco com um comprimento de onda específico. Dependendo do perfil do feixe, da quantidade de energia aplicada, do tempo de exposição e do material de base, a superfície do material altera-se com diferentes gradientes e intensidades (1). Os efeitos do raio laser na superfície do material só são visíveis a partir de um determinado nível de potência e são geralmente irreversíveis (2). As alterações mais importantes do material durante a gravação são a perda de material durante a queima (a profundidade) e a alteração da composição química da camada superficial (a tonalidade - carbono).

A capacidade de determinar antecipadamente a intensidade destas alterações é uma das áreas-chave do controlo de qualidade na gravação a laser. A tonalidade produzida pelo raio laser na madeira não depende apenas da intensidade (a potência) e do perfil do raio laser (a secção transversal). O próprio material é utilizado em combinação com o seu ambiente (o ar) para produzir a pigmentação desejada (a tonalidade) do material. Assim, depende também do tipo de madeira, da sua temperatura, da sua humidade, da dureza e da composição química atual das camadas gravadas (a idade da madeira e o seu tratamento de superfície).

Para além disso, a madeira é um composto natural (3) e um material vivo, e mesmo após o seu processamento está em constante mudança (degradação - decomposição - absorção ou perda de água) (4). As dimensões da madeira também podem mudar (5).

Utilização de emissores de semicondutores na gravação a laser

Para um sistema capaz de regular a intensidade do feixe laser em função das propriedades actuais do material de base e do seu ambiente, é conveniente utilizar um emissor sensível e rápido (frequência de impulsos). Atualmente, a gravação de fotografias em madeira é feita principalmente com um laser de CO2. Os lasers de CO2 têm uma potência elevada, permitindo velocidades de produção e cortes de material elevados (6). No entanto, produzem comprimentos de onda mais longos (10600 nm), pelo que não são tão precisos como os lasers de díodo do espetro visível (455 nm) (7). A utilização de lasers de semicondutores registou um enorme aumento com a utilização de CD (8; 9).

A sua aplicação neste domínio deve-se principalmente às suas dimensões físicas, ao preço de compra e à maior segurança conferida pelo comprimento de onda e pela potência de saída. Graças ao aumento dramático da potência dos díodos laser nos últimos anos, este emissor está a tornar-se uma parte importante da tecnologia (10; 11). Os lasers de díodos estão a aparecer cada vez mais em aplicações industriais (12; 13). Além disso, este potencial é reforçado pela rápida produção devido ao elevado preço de aquisição. Os lasers de díodos podem ser controlados em termos de potência e os seus feixes podem ser focados com relativa precisão (14).

Isto permite a transmissão de detalhes muito mais finos a uma superfície de madeira e calibra potencialmente alterações mínimas no material, ambiente e desgaste omnipresente do emissor. No entanto, os lasers de díodo continuam a ter uma potência ótica até duas ordens de grandeza inferior, pelo que a produção é significativamente mais lenta. Uma grande vantagem é o seu tamanho, que é até três ordens de grandeza mais pequeno. Isto torna mais fácil e mais barata a montagem de lasers de semicondutores em sistemas multifeixe que podem ser controlados simultaneamente (aumentando a potência) ou separadamente (gravando várias linhas de uma só vez) (11).

Módulo laser com emissores combinados

Os lasers de semicondutores têm assim potencial para superar os lasers de CO2 não só em termos de precisão, mas também em termos de velocidade e economia de produção na aplicação da fotogravura em madeira. O fator que, em última análise, os torna um emissor mais adequado para a produção de fotografias gravadas em madeira é a sua maior eficiência e eficácia (15) na calibração do feixe com base nas propriedades actuais de um material e do seu ambiente.

A utilização de lasers de semicondutores está a aumentar de ano para ano e, atualmente, são o tipo de emissor laser mais utilizado. Este facto deve-se à vasta gama de aplicações e ao aumento significativo da sua potência máxima nas últimas décadas. O rendimento global total da venda de emissores laser foi de 10,4 mil milhões de dólares em 2016 (16). Desse valor, 45% foram provenientes apenas da venda de lasers de semicondutores (17). A tendência atual, mostrada na Figura 1, sugere que esta tecnologia tem atualmente um futuro mais promissor em termos de atração de investimento em investigação e desenvolvimento.

Vendas de LASER de semicondutores

Aumento da qualidade da gravação a laser

Dois processos químicos básicos que ocorrem no material de madeira durante a gravação a laser são a queima e a carbonização. Estes processos ocorrem em simultâneo e, com um controlo adequado, é possível obter um número considerável de tonalidades diferentes. Podem ser utilizadas várias abordagens para obter um controlo adequado. Uma opção é a focagem diferente do feixe laser.

Resultados do LASER focado e desfocado

Na gravação com um feixe focado, o material é cortado e a paleta de tons muda de castanho claro para castanho escuro. Para a gravação com um feixe desfocado, obtemos até tons pretos ricos. Desta forma, podemos obter diferentes paletas de tons e obter um maior número de cores ao gravar com uma combinação adequada. Isto leva a uma maior profundidade gráfica e a uma melhor transferência de fotografias e gráficos para a madeira. Com a afinação correta, é possível obter qualidades semelhantes às da impressão normal. Este facto torna a gravação a laser em madeira muito interessante do ponto de vista da qualidade e da ecologia de todo o processo. Não há tinta, não há química. Estes produtos podem ser descritos como amigos do ambiente e têm um impacto negativo muito menor no ambiente. Os únicos componentes negativos são a luz laser, que é em miniatura e dura dezenas de milhares de horas, e a energia necessária.

Resultados diferentes da fotografia de origem (meio) com feixe laser focado (esquerda) e desfocado (direita)

Na imagem acima, podemos ver diferentes paletas de tonalidades que foram obtidas apenas com diferentes focagens do feixe. O código de produção, a unidade de controlo e as definições de potência do laser eram idênticos. É de referir que a desfocagem do feixe também conduz a dimensões ligeiramente superiores do ponto gravado, graças às quais é possível, teoricamente, obter detalhes mais reduzidos. Isto depende sempre do desempenho e da ótica da cabeça de gravação. É necessário focar o feixe tendo em conta a resolução pretendida. No entanto, ao fazer fotografias e gráficos em madeira, o ponto gravado terá um tamanho mínimo limitado (dependendo da potência e da ótica), uma vez que a madeira queima ligeiramente à volta do ponto gravado. Isto permite ajustar a nitidez relativamente ao ponto gravado.

O feixe desfocado proporciona um aumento da escuridão dos gráficos resultantes, como mostra o gráfico abaixo. Ao mesmo tempo, a curva de tonalidade é mais nítida, pelo que o escurecimento resultante ocorre mais rapidamente. Por conseguinte, a potência máxima do emissor deve ser ajustada de forma adequada para que toda a profundidade das sombras seja distribuída uniformemente pelo histograma do gráfico de entrada. Deve ser mencionado que um feixe desfocado necessita de mais potência para alterar o material do que um feixe focado. Isto deve-se à menor densidade de energia do feixe desfocado e pode ser visto no gráfico seguinte para valores de potência laser de 0-20%.

Profundidade de sombra da gravação a laser com superfície queimada e carbonizada

As superfícies resultantes têm composições diferentes. A diferença entre estes e os processos químicos pode ser facilmente observada no microscópio eletrónico abaixo. A quantidade de carbono negro deixada nas superfícies de madeira muda rapidamente com o aumento da carbonização da superfície. Este facto é esperado, uma vez que o carbono negro é responsável pela tonalidade negra da superfície. A profundidade de uma superfície altera-se apenas ligeiramente, uma vez que a energia principal do laser é utilizada para a carbonização da madeira e não para a sua sublimação.

Diferenças nas quantidades de carbono negro sob microscópio eletrónico para feixe laser focado (esquerda) e feixe laser desfocado (direita)

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Conclusão

A utilização de lasers de semicondutores está a crescer todos os anos. Graças ao aumento da potência de saída dos lasers de semicondutores, estes podem ser utilizados num número cada vez maior de casos. As dimensões físicas dos emissores permitem a sua combinação. Podem ser combinados para potências mais elevadas ou para uma gravação raster mais rápida (gravação de várias linhas ao mesmo tempo). Com o feixe desfocado, é possível obter tonalidades mais escuras para a gravação de madeira. Isto leva a uma maior profundidade dos gráficos resultantes. Com uma combinação adequada, é possível obter uma melhor qualidade de transferência de imagem para superfícies de madeira. É importante otimizar o processo de gravação a laser para diferentes espécies e estados da madeira.

Com as mesmas definições de laser e de potência de saída, obtém-se uma qualidade diferente. A focagem do feixe é apenas uma variável. A humidade e a idade da própria madeira são outras variáveis que contribuem para melhorar os resultados da gravação.

Autor do artigo:

Martin Jurek

Referências

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3. Bruno, Luigi. Caracterização mecânica de materiais compósitos por técnicas ópticas: Uma revisão. Ótica e Lasers em Engenharia. 2018, Vol. 104, páginas 192-203.
4. Chen, Yao, e outros. Mudanças na cor e na química da superfície da madeira extraída. Ciência e Tecnologia da Madeira. 2014, Vol. 48, páginas 137-150.
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8. Barletta, Massimiliano, Gisario, Annamaria e Tagliaferri, Vincenzo. Recuperação de materiais recicláveis: Análise experimental do processamento a laser de CD-R. Ótica e Lasers em Engenharia. 2007, Vol. 45, 1, páginas 208-221.
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10. Nakamura, S., Pearton, S. a Fasol, G. O díodo laser azul - a história completa. 2. Berlim: Springer - Verlag, 2000. str. 368. 978-3-540-66505-2.
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