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Una máquina de grabado láser consta de tres partes principales: un láser, un controlador y una superficie. El láser es una herramienta de dibujo: el haz emitido por él permite al controlador trazar patrones en la superficie. El controlador determina la dirección, la intensidad, la velocidad de movimiento y la propagación del rayo láser dirigido a la superficie. La superficie se elige para que coincida con el tipo de material sobre el que puede actuar el láser.
Hay tres géneros principales de máquinas de grabado. La más común es la mesa X–Y donde, por lo general, la pieza de trabajo (superficie) está estacionaria y la óptica láser se mueve en dos dimensiones, dirigiendo el rayo láser para dibujar vectores. A veces, el láser está estacionario y la pieza de trabajo se mueve. A veces, la pieza de trabajo se mueve en un eje y el láser en el otro. Un segundo género es para piezas de trabajo cilíndricas (o piezas de trabajo planas montadas alrededor de un cilindro) donde el láser atraviesa de manera efectiva una hélice fina mientras que el pulso láser encendido y apagado produce la imagen rasterizada deseada. En el tercer género, tanto el láser como la pieza de trabajo son fijos y los espejos galvo mueven el rayo láser sobre la superficie de la pieza de trabajo. Los grabadores láser que utilizan esta tecnología pueden funcionar en modo raster o vectorial.
El punto donde el rayo láser toca la superficie debe estar en el plano focal del sistema óptico del láser y generalmente es sinónimo de su punto focal. Este punto es típicamente 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 cambia la superficie del material en el punto focal. Puede calentar la superficie y posteriormente vaporizar el material, o tal vez el material se pueda fracturar (conocido como «vidriado» o «vidriado hacia arriba») y desprenderse de la superficie. Cortar la pintura de una pieza de metal es generalmente la forma en que el material se graba con láser.
Si el material de la superficie se vaporiza durante el grabado por láser, casi siempre se requiere ventilación mediante el uso de sopladores o una bomba de vacío para eliminar los humos y humos nocivos que surgen de este proceso, y para eliminar los residuos en la superficie para permitir que el láser continúe grabando.
Un láser puede eliminar material de manera muy eficiente porque el rayo láser se puede diseñar para entregar energía a la superficie de una manera que convierta un alto porcentaje de la energía de la luz 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 de esmalte, la conversión de energía de la luz en calor es más que {x%} eficiente. Sin embargo, debido a esta eficiencia, el equipo utilizado en el grabado láser puede calentarse con bastante rapidez. Se requieren sistemas de refrigeración elaborados para el láser. Alternativamente, el rayo láser puede pulsarse para disminuir la cantidad de calentamiento excesivo.
Se pueden grabar diferentes patrones programando el controlador para que atraviese un camino particular para el rayo láser a lo largo del tiempo. La traza del rayo láser se regula cuidadosamente para lograr una profundidad de eliminación constante del material. Por ejemplo, se evitan caminos entrecruzados para garantizar que cada superficie grabada se exponga al láser solo una vez, de modo que se elimine la misma cantidad de material. La velocidad a la que la viga se mueve a través del material también se tiene en cuenta al crear patrones de grabado. Cambiar la intensidad y la extensión del haz permite una mayor flexibilidad en el diseño. Por ejemplo, al cambiar la proporción de tiempo (conocida como «ciclo de trabajo») que se enciende el láser durante cada pulso, la potencia entregada a la superficie de grabado se puede controlar adecuadamente para el material.
Dado que el controlador conoce exactamente la posición del láser, no es necesario agregar barreras a la superficie para evitar que el láser se desvíe del patrón de grabado prescrito. Como resultado, no se necesita ninguna máscara resistiva en el grabado láser. Esta es principalmente la razón por la que esta técnica es diferente de los métodos de grabado más antiguos.
Un buen ejemplo de dónde se ha adoptado la tecnología de grabado láser en la norma de la industria es la línea de producción. En esta configuración en particular, el rayo láser se dirige hacia un espejo giratorio o vibratorio. El espejo se mueve de una manera que puede trazar números y letras sobre la superficie que se está marcando. Esto es particularmente útil para imprimir fechas, códigos de caducidad y numeración de lotes de productos que viajan a lo largo de una línea de producción. El marcado láser permite que los materiales hechos de plástico y vidrio se marquen «en movimiento». El lugar donde se lleva a cabo el marcado se denomina «estación láser de marcado», una entidad que se encuentra a menudo en las plantas de envasado y embotellado. Las tecnologías más antiguas y lentas, como el estampado en caliente y la tampografía, se han eliminado en gran medida y se han sustituido por el grabado láser.
Para grabados más precisos y visualmente decorativos, se utiliza una mesa láser (también conocida como mesa «X–Y» o «XY»). El láser generalmente se fija permanentemente al lado de la mesa y emite luz hacia un par de espejos móviles para que el láser pueda barrer cada punto de la superficie de la mesa. En el punto de grabado, el rayo láser se enfoca a través de una lente en la superficie de grabado, lo que permite trazar patrones muy precisos e intrincados.
Una configuración típica de una mesa láser implica la luz fija de emisión láser paralela a un eje de la mesa dirigida a un espejo montado en el extremo de un riel ajustable. El haz se refleja en el espejo en ángulo de 45 grados, de modo que el láser recorre una trayectoria exactamente a lo largo del riel. Esta viga es reflejada por otro espejo montado en un carro móvil que dirige la viga 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 el grabado de mesa plana o tambor, el rayo láser se controla para dirigir la mayor parte de su energía a una profundidad de penetración fija en el material a grabar. De esta manera, solo se elimina una profundidad de material particular cuando se realiza el grabado. Se puede usar un simple palo mecanizado o hierro angular como herramienta para ayudar a los tecnólogos capacitados a ajustar el grabador para lograr el enfoque requerido. Esta configuración se prefiere para superficies que no varíen de forma apreciable en altura.
Para superficies que varían en altura, se han desarrollado mecanismos de enfoque más elaborados. Algunos se conocen como sistemas de enfoque automático dinámico. Ajustan los parámetros de láser en tiempo real para adaptarse a los cambios en el material a medida que se graba. Por lo general, la altura y la profundidad de la superficie se supervisan con dispositivos que rastrean 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 para enfocar la superficie y eliminar el material de manera efectiva.
Las máquinas de grabado láser «X-Y» pueden funcionar en modo vectorial y rasterizado.
El grabado vectorial sigue la línea y la curva del patrón a grabar, al igual que un trazador basado en lápiz dibuja construyendo segmentos de línea a partir de una descripción de los contornos de un patrón. Muchos de los primeros grabados de signos y placas (láser o de otro tipo) usaban contornos de fuente pre-almacenados para que las letras, los números o incluso los logotipos se pudieran escalar al tamaño y reproducir con trazos exactamente definidos. Desafortunadamente, las áreas de «relleno» eran problemáticas, ya que los patrones de trama cruzada y los rellenos de puntos a veces exhibían efectos de muaré o súper patrones causados por el cálculo impreciso de los espaciamientos de puntos. Además, las rotaciones de una fuente o el escalado dinámico a menudo estaban más allá de las capacidades del dispositivo de renderizado de fuentes. La introducción del lenguaje de descripción de páginas PostScript ahora permite una flexibilidad mucho mayor: ahora prácticamente cualquier cosa que se pueda describir en vectores mediante software habilitado para PostScript, como CorelDRAW o Adobe Illustrator, se puede delinear, rellenar con patrones adecuados y grabar con láser.
El grabado de trama rastrea el láser a través de la superficie en un patrón lineal de avance lento de ida y vuelta que recordará al cabezal de impresión de una impresora de inyección de tinta o similar. El patrón generalmente es optimizado por el controlador / computadora para que las áreas a cada lado del patrón que no se van a grabar se ignoren y el rastro a través del material se acorta para una mejor eficiencia. La cantidad de avance de cada línea es normalmente menor que el tamaño de punto real del láser; las líneas grabadas se superponen ligeramente para crear una continuidad del grabado. Como es el caso de todos los dispositivos rasterizados, las curvas y diagonales a veces pueden sufrir si la longitud o la posición de las líneas de ráster varía incluso ligeramente en relación con el escaneo de ráster adyacente; por lo tanto, el posicionamiento exacto y la repetibilidad son de vital importancia para el diseño de la máquina. La ventaja de rasterizar 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 continuamente, y están bien rasterizadas. Las fotos se rasterizan (como en la impresión), con puntos más grandes que el punto del láser, y también se graban mejor como una imagen rasterizada. Casi cualquier software de diseño de página se puede utilizar para alimentar un controlador de trama para un grabador láser X–Y o de tambor. Mientras que el grabado tradicional de letreros y placas tendía a favorecer los trazos sólidos de vectores por necesidad, las tiendas modernas tienden a ejecutar sus grabadores láser principalmente en modo raster, reservando el vector para un «aspecto» de contorno tradicional o para marcar rápidamente contornos o «escotillas» donde se va a cortar una placa.