Sistemas laser 3D para el marcaje y la codificación de productos

5 Abr, 2022

Sistemas laser 3D para el marcaje y la codificación de productos.

Figura 1: Objeto marcado con un sistema láser 3D

 

Los sistemas láser de marcaje funcionan habitualmente con un sistema de escáneres X-Y para marcar sobre superficies planas, es decir, para marcar en 2D. Pero ¿qué sucede si queremos marcar un producto en 3D o queremos marcar a diferentes alturas del producto? Vamos a necesitar controlar un tercer eje, el eje Z.

Actualmente, gracias a la expansión del marcaje láser y a la gran gama de productos que se pueden marcar con esta tecnología, la introducción de los sistemas laser 3D para marcajes es ya todo un ámbito de estudio concreto y muchos clientes precisan de esta funcionalidad para marcar sus productos.

 

Sistemas laser 3D para el marcaje y la codificación de productos

ÍNDICE

1. Conceptos básicos

2. Tecnologías 3D

3. Otras tecnologías de control del eje Z

4. Creación de mensajes 3D con Marca

 

1. Conceptos básicos

Antes de adentrarnos con la explicación del funcionamiento de la impresión láser 3D, vamos a hablar sobre los conceptos básicos y los principios de funcionamiento de un láser 2D.

El método típicamente usado en los sistemas láser es un sistema óptico de escáneres galvanométricos. Debido a que el haz láser no tiene masa, las limitaciones de velocidad y precisión son impuestas por los movimientos de los espejos que direccionan el haz láser.

El control del haz se consigue usando un juego de dos espejos X-Y conectados con un eje a los escáneres galvanométricos, a su vez, controlados por unos drivers que reciben señales del CPU del láser. Esto proporciona un par de coordenadas polares convertidas a coordenadas cartesianas al posicionar el haz láser en un plano X-Y.

El haz sale por la apertura del tubo láser y es conducido a la superficie de marcaje a través de los espejos y la lente focal.

Cada movimiento de los espejos corresponde a uno de los ejes (X o Y) y se posiciona de acuerdo con las coordenadas X-Y de cada uno de los puntos del mensaje impreso.

Estos escáneres galvanométricos tienen espejos incorporados que reflejan el haz láser a las superficies de marcaje. Los espejos tienen un alto índice de reflectividad a la longitud de onda del láser para proporcionar la máxima potencia del haz.

En el caso de marcaje dinámico, los espejos siguen al producto en su movimiento en la línea de producción mientras se marca el mensaje.

 

Sistemas laser 3D para el marcaje y la codificación de productos.

Figura 2: Ejemplo de un sistema óptico con escáneres galvanométricos

 

2. Tecnologías 3D

Actualmente, en los sistemas laser 3D para el marcaje, existen diferentes tecnologías, pero estas se pueden dividir en 2 grandes grupos:

 

Por desplazamiento de lente

Estos sistemas ópticos en los cabezales de marcaje de los láser 3D consisten en la introducción de una nueva lente desplazable, además de una, dos o más lentes focales fijas. Estas lentes se sitúan en el camino óptico entre la apertura del tubo láser y los escáneres galvanométricos X-Y.

El funcionamiento habitual de estos sistemas es el siguiente:

El haz láser sale de la apertura del tubo láser y llega a la lente desplazable. La función de esta lente es desplazar el punto focal del láser alrededor del plano focal desplazándose a lo largo de un eje óptico. Esto provoca un cambio en el ángulo de divergencia del haz láser.

Una vez el haz láser ha pasado por la lente desplazable, este pasa por una, dos o más lentes focales que lidian con la tarea de focalizarlo. Seguidamente, este llega a la unidad de desviación láser, que es donde se encuentran los escáneres galvanométricos X e Y. Como ya hemos explicado anteriormente, la tarea de los escáneres esel rayo láser en el plano X-Y.

Si nos centramos en la parte 3D del camino óptico, es decir la parte con las nuevas lentes, podemos decir que cuando la lente desplazable se aproxima a la lente fija, la distancia focal aumenta. Y, al inrevés, cuando la lente desplazable se aleja de la lente fija, la distancia focal disminuye.

Para conseguir un marcaje 3D de altas prestaciones, además de tener un sistema con los componentes explicados anteriormente, vamos a necesitar que el sistema de desplazamiento lineal de la lente tenga una serie de características.

Por ejemplo, las prestaciones de velocidad de desplazamiento de la lente tienen que ser muy altas, ya que los 3 ejes (X, Y, Z) tienen que ir coordinados para conseguir un perfecto marcaje en 3D.

Para conseguir unas buenas prestaciones para los sistemas de desplazamiento lineal de la lente, se han explorado diferentes tecnologías. Algunas de ellas se explican a continuación:

  • Galvanómetro (Motor rotatorio)

Funciona de la misma manera que los galvanómetros que controlan el movimiento de los escáneres X-Y. Un galvanómetro está basado y funciona como un motor eléctrico.

Los sistemas de desplazamiento pueden llevar 2 galvanómetros, uno a cada lado para tener unas prestaciones más altas de velocidad.

 

  • Actuador lineal (Motor lineal)

Son motores que basan su funcionamiento en el mismo principio físico que los motores rotativos tradicionales, pero en vez de tener un movimiento rotatorio tienen un movimiento lineal debido a la disposición de sus componentes.

 

  • Motor piezoeléctrico

Son motores considerados lineales pero que siguen el principio piezoeléctrico para funcionar. Este principio utiliza la deformación experimentada en algunos materiales al aplicarles una corriente eléctrica. Esta deformación se convierte en una vibración ultrasónica que hace avanzar/retroceder el motor.

 

  • Motor de bobina de voz

Ese motor se basa en una bobina de cobre energizada por una corriente eléctrica y colocada dentro de un campo magnético generado por unos imanes permanentes. La fuerza generada por la bobina es proporcional al campo magnético y a la dirección y magnitud del campo eléctrico. Como no hay componentes en contacto, no hay desgaste ni fricción y es adecuado para aplicaciones de alta velocidad.

 

Todos estos sistema de desplazamiento lineal de la lente irán normalmente controlados por unos drivers conectados a la CPU central del sistema láser.

Además de todo lo expuesto anteriormente, dependiendo de la aplicación que se busque con el sistema láser 3D de marcaje, se podrá incluir o no una lente F-Theta. La función de estas lentes es asegurar la misma distancia focal en toda el área de marcaje.

 

Por lente sintonizable

La tecnología 3D que vamos a explicar a continuación se basa en propiedades físicas para controlar el eje Z.

La lente sintonizable de enfoque eléctrico es una lente flexible que puede cambiar su forma. Esta lente consiste en una membrana de polímero rodeada por un lado con un tipo de líquido y por el otro lado con aire. Finalmente, está encapsulada por vidrios de protección.

La lente funciona de la siguiente manera: Si se altera la diferencia de presión entre el líquido y el aire mediante un actuador electromagnético, el radio de curvatura de la membrana puede cambiar.

En el cabezal de marcaje, estas lentes sintonizables se sitúan entre la apertura del tubo láser y los escáneres galvanométricos X-Y. Su función en el camino óptico es la misma que tenía la lente desplazable, es decir, controlar y cambiar la posición del eje Z.

Como en el caso anterior, dependiendo de la aplicación, al final del camino óptico se puede añadir o no una lente F-Theta.

Si se añade, su función es asegurar el allanamiento del área de marcaje y la función de la lente sintonizable es cambiar la divergencia del haz láser para conseguir un cambio de enfoque en el eje Z.

Si la lente F-Theta no se añade, las dos funciones comentadas anteriormente deberán ser realizadas por la lente sintonizable.

La lente sintonizable es controlada por un driver conectado a la CPU del sistema láser y que permite el control en tiempo real juntamente con los escáneres X-Y para conseguir un marcaje 3D perfecto.

 

3. Otras tecnologías de control del eje Z

 A parte del marcaje láser para objetos 3D, a veces es necesario controlar el eje Z pero a unas prestaciones más bajas como, por ejemplo, al marcar un objeto con diferentes planos a diferentes alturas.

En esta aplicación el eje Z tiene que subir/bajar, pero no tiene que hacerlo de forma coordinada/a tiempo real con los escáneres X-Y. Dicho de otra forma, el eje Z no tiene que ir a velocidades tan rápidas como sucedía en los sistemas de marcaje láser 3D.

Para estas aplicaciones también existe un amplio rango de tecnologías, pero nosotros vamos a describir las más utilizadas:

 

Focus Shifter

El principio básico de esta tecnología es el mismo que en los sistemas láser 3D por desplazamiento de lente. De hecho, el funcionamiento y la disposición de los componentes ópticos dentro del cabezal de marcaje es prácticamente el mismo.

La gran diferencia entre estas dos tecnologías es, como hemos hablado anteriormente, las prestaciones que da, así pues, los sistemas de desplazamiento de la lente para focus shifter normalmente son con un solo galvanómetro porque las velocidades de aplicación son mucho más bajas.

 

Eje Z externo

Esta tecnología es diferente a las expuestas anteriormente. Como su nombre indica, el eje Z se controla externamente, es decir, fuera del cabezal de marcaje del sistema láser.

Este eje externo se puede implementar de dos formas: Se puede colocar un elevador para subir/bajar el láser o se puede colocar un elevador para subir/bajar el plano de marcaje y, por consiguiente, el producto en cuestión.

En esta aplicación, la distancia focal del láser es siempre la misma ya que el haz láser está estático en el eje Z, pero lo que se mueve arriba/abajo es el elevador externo del eje Z.

Muchas aplicaciones láser llevan un elevador externo para ajustar correctamente la distancia focal manualmente mediante botones de subir/bajar.

Para aplicaciones más precisas, el elevador puede estar controlado por un servomotor conectado directamente con el CPU del láser para recibir señales de posición.

 

4. Creación de mensajes 3D con marca

Marca es el software de diseño de mensajes propio de Macsa ID.

El software en cuestión dispone de una opción para la edición y el diseño de mensajes en figuras 3D.

El diseño de mensajes en 3D es muy similar a la edición en 2D. El mensaje para marcar es creado con el editor estándard del software. Como en la edición de mensajes en 2D, se pueden añadir figuras, texto, mensajes de usuario, imágenes, campos de fecha u hora…

La diferencia viene ahora. En el caso estándar, al crear el mensaje, ya podíamos guardarlo o imprimirlo directamente sin hacer ningún otro paso. En el caso del diseño 3D, una vez creado el mensaje en el editor estándar de Marca, debemos mapear los objetos 2D creados a la superficie de los objetos 3D. Por este motivo, antes de todo, se tendrán que importar/crear los objetos 3D en el software.

Para la edición y diseño de un mensaje en un objeto 3D siga los siguientes pasos:

    1. Una vez tenemos el software Marca abierto tenemos que pulsar el botón .image006
    2. Nos va a aparecer una ventana emergente con una barra de opciones a la derecha y con una pantalla central con un plano X-Y. Si alejamos la pantalla con la rueda del ratón, podemos observar un cuadrado con un círculo blanco que representa el láser y nos puede servir de punto de referencia.
    3. Para añadir un objeto 3D, tenemos que seleccionar la figura geométrica deseada (esfera, cono, plano, cilindro…) desde la lista desplegable en la parte superior derecha de la ventana emergente y pulsar el botón “Add”.
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      Figura 3: Ventana 3D de Marca con algunas figuras creadas

       

    4. En la barra de herramientas podemos ver las figuras creadas y podemos ver y cambiar sus propiedades.
    5. En el editor estándar 2D de Marca tenemos que diseñar el mensaje que queremos marcar en la figura 3D. Una vez creado el mensaje, si entramos dentro de la ventana emergente 3D, veremos que el mensaje aparece en el plano z = 0. Es decir, el mensaje aún no está mapeado en la figura.
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      Figura 4: Ventana 3D de Marca con un mensaje en el plano z = 0

       

    6. A continuación, debemos mapear el mensaje 2D a la figura 3D. Una vez hecho, en la ventana 3D podremos observar como el mensaje es mapeado en su superficie.
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Figura 5: Ventana 3D con diferentes mensajes mapeados en los objetos 3D

 

Además de las figuras geométricas seleccionables en la ventana 3D, también es posible importar archivos STL propias (figuras 3D) para mapear perfectamente el marcaje en la superficie del producto.

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Figura 6: Mensaje creado en el editor estándar y ventana 3D con el mensaje mapeado en el objeto 3D importado

 

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