Grabado láser

El grabado láser consiste en utilizar láseres para grabar un objeto. El proceso de grabado crea un diseño mediante un corte físico en el objeto, eliminando material. Esta técnica no requiere el uso de tintas ni herramientas que entren en contacto con la superficie de grabado y se desgasten, lo que le confiere una ventaja sobre otras tecnologías de marcado, donde las tintas o las puntas de las herramientas deben reemplazarse periódicamente.

Ese proceso es distinto del marcado láser , que implica el uso de un láser para marcar un objeto mediante diversos métodos, como el cambio de color por alteración química, la carbonización, la formación de espuma, la fusión, la ablación, entre otros. ^{[ 1 ]} El marcado láser es un método común para aplicar fechas variables, códigos de lote y de partida, códigos 2D, texto alfanumérico y gráficos a productos y envases durante la producción. Sin embargo, el término marcado láser también se utiliza como término genérico que abarca un amplio espectro de técnicas de acabado superficial, como la impresión, el marcado en caliente y la unión láser . Las máquinas para el grabado y el marcado láser a veces son las mismas, por lo que ambos términos suelen confundirse entre quienes carecen de la experiencia pertinente.

El impacto del marcado láser ha sido más pronunciado en materiales especialmente diseñados para ser grabados con láser, así como en algunas pinturas. Entre estos se incluyen polímeros sensibles al láser y nuevas aleaciones metálicas . ^{[ 2 ]}

El grabado láser es el proceso de eliminar selectivamente capas microscópicas de material, creando así marcas visibles en la superficie tratada. ^{[ 3 ]} Dependiendo de los materiales, las interacciones láser-material pueden variar. En superficies más duras, el mecanismo de acción principal es la ablación , donde el haz láser enfocado desprende partículas microscópicas del sustrato. El grabado puede alcanzar una profundidad de 100 μm ^{[ 4 ]} e incluso mayor, mientras que el marcado láser suele ser menos profundo. ^{[ 5 ]}

La elección del láser es crucial para la calidad del marcado. Para obtener un marcado nítido, se prefieren pulsos láser cortos de alta calidad, ya que permiten transferir grandes cantidades de energía sin provocar un calentamiento ni una fusión significativos de la muestra. Por ejemplo, el grabado con láseres de femtosegundos mejora la precisión, puesto que estos láseres emiten pulsos extremadamente cortos que crean marcas de alta resolución sin un calentamiento significativo, evitando así la distorsión o alteración del material. ^{[ 6 ]} Esta tecnología resulta especialmente valiosa para materiales en los que es necesario minimizar los efectos térmicos, como metales, plásticos y componentes electrónicos sensibles.

Una máquina de grabado láser consta de tres partes principales: un láser, un controlador y una superficie. ^{[ 2 ]} El láser es una herramienta de dibujo: el haz que emite permite al controlador trazar patrones sobre la superficie. El controlador determina la dirección, la intensidad, la velocidad de movimiento y la dispersión del haz láser dirigido a la superficie. La superficie se elige de acuerdo con el tipo de material sobre el que puede actuar el láser.

El punto donde el rayo láser toca la superficie debe estar en el plano focal del sistema óptico del láser y suele ser sinónimo de su punto focal . Este punto suele ser pequeño, quizás menos de una fracción de milímetro (dependiendo de la longitud de onda óptica). Solo el área dentro de este punto focal se ve afectada significativamente cuando el rayo láser pasa sobre la superficie. La energía suministrada por el láser modifica la superficie del material en el punto focal. Puede calentar la superficie y, posteriormente, vaporizar el material, o bien, el material puede fracturarse (fenómeno conocido como "vidriogénesis") y desprenderse de la superficie. Generalmente, el grabado láser de un material consiste en cortar la pintura de una pieza metálica.

Si el material de la superficie se vaporiza durante el grabado láser, casi siempre se requiere ventilación mediante el uso de sopladores o una bomba de vacío para eliminar los humos nocivos y el humo que se generan durante este proceso, y para eliminar los residuos de la superficie y permitir que el láser continúe grabando.

Un láser puede eliminar material de forma muy eficiente porque el haz láser se puede diseñar para suministrar energía a la superficie de manera que convierta un alto porcentaje de la energía lumínica en calor. El haz está altamente enfocado y colimado ; en la mayoría de los materiales no reflectantes, como la madera , los plásticos y las superficies esmaltadas , la conversión de energía lumínica en calor es más del {x%} de eficiencia. ^{[ 7 ]} Sin embargo, debido a esta eficiencia, el equipo utilizado en el grabado láser puede calentarse con bastante rapidez. Se requieren sistemas de refrigeración complejos para el láser. Como alternativa, el haz láser puede pulsarse para disminuir la cantidad de calentamiento excesivo.

Se pueden grabar diferentes patrones programando el controlador para que el haz láser recorra una trayectoria específica a lo largo del tiempo. La trayectoria del haz láser se regula cuidadosamente para lograr una profundidad de eliminación de material uniforme. Por ejemplo, se evitan los recorridos cruzados para asegurar que cada superficie grabada se exponga al láser solo una vez, eliminando así la misma cantidad de material. La velocidad a la que el haz se desplaza sobre el material también se considera al crear los patrones de grabado. Modificar la intensidad y la dispersión del haz permite una mayor flexibilidad en el diseño. Por ejemplo, al cambiar la proporción de tiempo (conocida como "ciclo de trabajo") durante el cual el láser permanece encendido en cada pulso, se puede controlar la potencia suministrada a la superficie de grabado de forma adecuada para cada material.

Dado que el controlador conoce con precisión la posición del láser, no es necesario añadir barreras a la superficie para evitar que se desvíe del patrón de grabado preestablecido. Por consiguiente, no se requiere máscara resistiva en el grabado láser. Esta es la principal razón por la que esta técnica difiere de los métodos de grabado tradicionales.

Un buen ejemplo de la adopción de la tecnología de grabado láser como práctica habitual en la industria es la línea de producción . En este sistema, el rayo láser se dirige hacia un espejo giratorio o vibratorio. El espejo se mueve de forma que traza números y letras sobre la superficie que se está marcando. Esto resulta especialmente útil para imprimir fechas, códigos de caducidad y numeración de lotes de productos que circulan por la línea de producción. El marcado láser permite marcar materiales de plástico y vidrio en movimiento. El lugar donde se realiza el marcado se denomina "estación de marcado láser" y suele encontrarse en plantas de envasado y embotellado. Las tecnologías más antiguas y lentas, como el estampado en caliente y la tampografía, se han ido eliminando progresivamente y se han sustituido en gran medida por el grabado láser.

Para grabados más precisos y visualmente atractivos, se utiliza una mesa láser (también conocida como mesa "X-Y" o "XY"). El láser suele estar fijado permanentemente a un lateral de la mesa y emite luz hacia un par de espejos móviles, de modo que puede cubrir toda la superficie. En el punto de grabado, el haz láser se enfoca mediante una lente sobre la superficie, lo que permite trazar patrones muy precisos y complejos.

Una configuración típica de una mesa láser consiste en un láser fijo que emite luz paralela a uno de los ejes de la mesa, apuntando a un espejo montado en el extremo de un riel ajustable. El haz se refleja en el espejo inclinado a 45 grados, de modo que el láser recorre una trayectoria que coincide exactamente con la longitud del riel. Este haz se refleja luego en otro espejo montado en un carro móvil , que lo dirige perpendicularmente al eje original. En este esquema, se pueden representar dos grados de libertad (uno vertical y otro horizontal) para el grabado.

En otros dispositivos de grabado láser, como las mesas planas o los tambores de grabado, el haz láser se controla para dirigir la mayor parte de su energía a una profundidad de penetración fija en el material a grabar. De esta forma, solo se elimina una cantidad específica de material durante el grabado. Se puede utilizar una simple varilla o un perfil angular mecanizado como herramienta para ayudar a los técnicos capacitados a ajustar la grabadora y lograr el enfoque requerido. Esta configuración es la preferida para superficies con poca variación de altura.

Para superficies con alturas variables, se han desarrollado mecanismos de enfoque más sofisticados. Algunos se conocen como sistemas de autoenfoque dinámico . Estos ajustan los parámetros del láser en tiempo real para adaptarse a los cambios del material durante el grabado. Normalmente, la altura y la profundidad de la superficie se monitorizan con dispositivos que registran los cambios en la luz ultrasónica , infrarroja o visible dirigida a la superficie de grabado. Estos dispositivos, conocidos como haces piloto o láseres piloto (si se utiliza un láser), ayudan a guiar los ajustes realizados en la lente del láser para determinar el punto óptimo de enfoque en la superficie y eliminar el material de forma eficaz.

Las máquinas de grabado láser "X-Y" pueden funcionar en modo vectorial y en modo ráster .

El grabado vectorial sigue la línea y la curva del patrón a grabar, de forma similar a como un plotter dibuja construyendo segmentos de línea a partir de la descripción de los contornos de un patrón. Gran parte del grabado inicial de letreros y placas (láser o de otro tipo) utilizaba contornos de fuentes prealmacenados para que las letras, los números o incluso los logotipos pudieran escalarse y reproducirse con trazos definidos con precisión. Desafortunadamente, las áreas de relleno resultaban problemáticas, ya que los patrones de sombreado cruzado y los rellenos de puntos a veces presentaban efectos de moiré o superpatrones causados ​​por el cálculo impreciso del espaciado entre puntos. Además, las rotaciones de una fuente o el escalado dinámico a menudo superaban las capacidades del dispositivo de renderizado de fuentes. La introducción del lenguaje de descripción de página PostScript permite ahora una mayor flexibilidad: prácticamente cualquier cosa que pueda describirse en vectores mediante software compatible con PostScript, como CorelDRAW o Adobe Illustrator, puede delinearse, rellenarse con patrones adecuados y grabarse con láser.

El grabado rasterizado traza el láser sobre la superficie en un patrón lineal de avance lento y de ida y vuelta que recuerda al cabezal de impresión de una impresora de inyección de tinta o similar. El controlador/ordenador suele optimizar el patrón para que se ignoren las áreas a ambos lados que no se van a grabar, acortando así el trazado sobre el material para una mayor eficiencia . El avance de cada línea suele ser menor que el tamaño real del punto del láser; las líneas grabadas se superponen ligeramente para crear una continuidad en el grabado. Como ocurre con todos los dispositivos rasterizados, las curvas y las diagonales pueden verse afectadas si la longitud o la posición de las líneas rasterizadas varían, aunque sea ligeramente, con respecto al escaneo rasterizado adyacente; por lo tanto, el posicionamiento exacto y la repetibilidad son de vital importancia en el diseño de la máquina. La ventaja de la rasterización es el relleno casi sin esfuerzo que produce. La mayoría de las imágenes que se van a grabar son letras en negrita o tienen grandes áreas grabadas de forma continua, y estas se rasterizan bien. Las fotografías se rasterizan (como en la impresión), con puntos más grandes que el punto del láser, y también se graban mejor como imágenes rasterizadas. Casi cualquier software de maquetación puede utilizarse para alimentar un controlador raster para una grabadora láser X-Y o de tambor. Si bien el grabado tradicional de letreros y placas tendía a favorecer los trazos sólidos de los vectores por necesidad, los talleres modernos tienden a utilizar sus grabadoras láser principalmente en modo rasterizado, reservando el modo vectorial para un aspecto de contorno tradicional o para marcar rápidamente contornos o sombreados donde se va a cortar una placa.

La demanda de joyería personalizada ha hecho que los joyeros sean más conscientes de los beneficios del proceso de grabado láser. ^{[ 13 ]}

Los joyeros descubrieron que, al usar un láser, podían realizar grabados con mayor precisión . De hecho, comprobaron que el grabado láser ofrecía más precisión que otros métodos. Asimismo, descubrieron que los grabados láser presentaban otras ventajas, como la personalización y la belleza intrínseca de estas piezas.

Antes, los joyeros que intentaban realizar grabados láser necesitaban utilizar equipos de gran tamaño. Ahora, los dispositivos para grabado láser vienen en unidades compactas. Algunos emprendedores han instalado estas unidades en quioscos de centros comerciales, lo que ha facilitado enormemente el acceso de los joyeros al grabado láser. Los fabricantes de máquinas para grabado láser en joyería han desarrollado equipos muy especializados. Han diseñado máquinas capaces de grabar el interior de un anillo y también la parte posterior de un reloj .

Un láser puede cortar tanto superficies planas como curvas, como las de las joyas. Esto explica por qué los joyeros han acogido con agrado todas las adaptaciones para la creación de joyas grabadas con láser. ^{[ 14 ]}

El grabado láser también se puede utilizar para crear obras de arte. Generalmente, esto implica grabar en superficies planas para revelar niveles inferiores de la superficie o para crear surcos y estrías que se pueden rellenar con tintas, esmaltes u otros materiales. Algunas grabadoras láser tienen accesorios rotatorios que permiten grabar alrededor de un objeto. Los artistas pueden digitalizar dibujos, escanear o crear imágenes en una computadora y grabar la imagen en cualquiera de los materiales mencionados en este artículo. ^{[ 15 ]}

El coste relativamente bajo del grabado láser, impulsado por la automatización y los materiales económicos, lo convierte en una solución ideal para la personalización de trofeos y premios. Si bien el grabado manual puede ser una opción viable para trofeos de campeones más costosos, la personalización láser resulta más adecuada para trofeos de equipo y de participación, que suelen encargarse en grandes cantidades y tienen márgenes de beneficio relativamente bajos.

Muchos también prefieren la legibilidad que ofrece el láser, que a menudo proporciona una apariencia más nítida que otros métodos a un coste mucho menor.

Los láseres de fibra MOPA son una opción especialmente fuerte para este tipo de grabado, debido a la calidad de su haz, el control del pulso de forma de onda y su alta potencia, lo que permite una marca profunda y duradera. ^{[ 16 ]}

Los materiales aptos para el grabado láser, ya sean plásticos o FlexiBrass, están disponibles en una amplia gama de colores, lo que contribuye a la popularidad de la personalización láser para trofeos y placas. Las dos combinaciones más populares son letras doradas sobre fondo negro y letras negras sobre fondo dorado. Si bien estas mismas combinaciones de colores son comunes también para las placas, la variedad de colores utilizados en el grabado de placas es mayor.

Al igual que con los espejos grabados convencionales, el objetivo inicial de las máquinas de grabado láser era grabar una imagen en la superficie de vidrio del espejo . Al optimizar la potencia, el enfoque y la velocidad, se pueden lograr resultados similares a los del arenado o el grabado químico .

En una nueva forma de grabado de espejos ^{[ 17 ],} el láser pulsa a través de la capa reflectante de plata en la parte posterior del espejo. Como resultado, la cara de vidrio del espejo grabado con láser permanece intacta, conservando todas las cualidades reflectantes del espejo original.

Una vez finalizado el proceso de grabado, la parte posterior del espejo debe rellenarse con una nueva capa para resaltar los detalles grabados con láser. Al grabar una fotografía o un texto con láser, una capa posterior de color negro sólido proporciona la máxima definición a las imágenes monocromáticas. Las capas de color aportan cromaticidad.

• Grabado en vidrio : decoración de vidrio mediante grabado. 
• Ablación láser : proceso que elimina material de un objeto calentándolo con un láser. 
• Mecanizado por haz láser : uso de haces láser para eliminar material de una pieza de trabajo. 
• Unión láser : método para marcar superficies 
• Corte láser : tecnología que utiliza un láser para cortar materiales. 
• Lista de artículos sobre láser