Marcado láser 3D
Aplicaciones

Qué es y cómo funciona el Z-Dinámico

Uno de los aspectos cruciales en la manipulación de un haz láser es el control del punto focal. Este control se puede obtener por medio del uso de distintas lentes ópticas, permitiendo adaptar el haz a las necesidades específicas de su aplicación.

Las lentes ópticas son fundamentales para la manipulación de un haz láser. Estas pueden converger o divergir el haz, influyendo directamente en el punto focal.

Una de las técnicas más eficaces para variar el punto focal de un haz láser es la combinación de distintas lentes como lentes cóncavas o convexas.

Las lentes convexas están diseñadas para converger el haz, mientras que las lentes cóncavas tienen el efecto opuesto, desfocalizando el haz.

La ley fundamental de la refracción, enunciada por Snell, describe cómo la luz se comporta cuando pasa a través de un medio con diferente índice de refracción.

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Esta ley es esencial para comprender cómo las lentes ópticas pueden focalizar o desfocalizar un haz láser.

Cuando la luz pasa a través de una lente convergente, los rayos convergen hacia el punto focal. Por contra, una lente divergente hará que los rayos diverjan, simulando el origen de un punto focal virtual.

La relación matemática asociada a la formación de la imagen a través de una lente destaca la relación entre la ley de Snell y las propiedades ópticas de las lentes:

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La combinación de estas lentes ofrece una síntesis de potencia focal, permitiendo obtener puntos focales precisos y regulables.

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Cuando se tienen tres lentes en serie, es posible calcular la distancia focal conjunta del sistema de lente utilizando la fórmula de la suma recíproca de las distancias focales.

Esta fórmula viene dada por:

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En aplicaciones más complejas, es posible combinar adecuadamente las lentes para permitir variaciones en el enfoque incluso en largas distancias.

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Parámetros como la calidad del spot, la forma, el M² y el MTF son cruciales para evaluar la eficacia y confiabilidad del diseño de un sistema óptico.  La optimización de estos aspectos es fundamental para garantizar resultados de alta precisión y coherencia en aplicaciones láser avanzadas.

  • Una excelente calidad del spot se caracteriza por un perfil de intensidad regular y concentrado. 
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  • La forma del spot se refiere a la geometría del área iluminada por el haz láser. En muchas aplicaciones, se busca obtener un spot lo más simétrico y uniforme posible para garantizar resultados precisos.
  • En el amplio mundo de la óptica y la física de partículas, la forma de los spot láser juega un papel crucial en las aplicaciones prácticas, desde la industria hasta la investigación científica.  Estos spot, a menudo son descritos con distribuciones gaussianas.

La función gaussiana, expresada matemáticamente como:

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donde A es la amplitud máxima, μ es el valor medio y σ es la desviación estándar, describe con precisión la forma de la energía distribuida en el espacio.

La ecuación de la forma del histograma gaussiano permite calcular el valor de f(x) en cualquier punto del espacio, ofreciendo una descripción matemática completa del spot láser. La integración de la ecuación en todo el espacio proporciona la energía total.

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Son propiedades de la curva gaussiana:

  • Simetría: La curva gaussiana es simétrica respecto a su valor medio μ, lo cual implica que la distribución es igual a derecha y a izquierda del pico.
  • Área bajo la curva: El área de la curva gaussiana es proporcional a la energía total del spot.
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  • El parámetro , o factor de calidad del haz, es un indicador de la calidad de un haz láser. Mide cuánto se desvía el perfil del haz de un haz gaussiano ideal.  Un valor M² de 1 indica un haz perfectamente gaussiano. Valores superiores indican una desviación del modelo ideal. El factor M² es especialmente relevante cuando se tienen en cuenta las prestaciones de propagación del haz a largas distancias o cuando la colimación precisa es crucial.
  • La función de transferencia modulada (MTF) es un indicador de la capacidad de un sistema óptico para reproducir detalles de la imagen.
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Límites y soluciones de los marcados/grabados 3D

Los marcados/grabados sobre sólidos tridimensionales se pueden realizar dentro de dos límites:

El primer límite es de tipo físico y viene dado por la inclinación del rayo láser. De hecho, es perpendicular al rayo láser y se caracteriza por un spot de dimensión circular con la máxima cantidad de energía y por consiguiente la máxima capacidad de grabado sobre el material; alejándose después de dichas condiciones de perpendicularidad, el spot del láser adquiere poco a poco dimensiones más elípticas, reduciendo la densidad de energía y por tanto de capacidad de grabado sobre el material.

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El segundo límite es de tipo mecánico y viene dado por el máximo recorrido posible del Z-Dinámico. Dicho recorrido depende del proyecto óptico empleado y en general asume valores de 35/40 mm.

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En función de los casos, dichos límites pueden ser en ocasiones eludidos mediante el uso, por ejemplo, de un mandril para el marcado/grabado sobre superficies cilíndricas completas:

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Wrapping, Projection y Ejemplo de marcados 3D

Hemos desarrollado tecnologías que nos permiten marcar o grabar sobre superficies complejas con una precisión geométrica muy elevada.

De hecho, además de la sencilla proyección planar, somos capaces de desarrollar cualquier gráfico plano sobre cualquier sólido tridimensional, obteniendo así resultados geométricamente muy fieles respecto a lo previsto en fase de diseño, realizando así marcados/grabados en donde no existen distorsiones geométricas.

Esta tipología de marcados/grabados complejos es posible gracias a la coexistencia de dos tecnologías diferentes:

  • Wrapping 3D, que nos permite marcar dibujos tridimensionales geométricamente perfectos.
  • Z-Dinámico, que nos permite mantener el enfoque sobre todos los puntos de la superficie en cuestión.

A continuación algunos ejemplos de marcado 3D:

Ejemplos comparativos entre proyección y envoltura de una rejilla sobre una superficie troncocónica

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Rejilla que envuelve
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Rejilla proyectada
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Comparación geométrica entre rejilla que envuelve y rejilla proyectada

Ejemplos de marcado sobre una superficie semiesférica

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Ejemplo de depainting 3D sobre un tapacubos de un automóvil:

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Ejemplo de grabado 3D de texturizado y texto en un molde de botella

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Marcado Láser 3D: ¿Cuándo usarlo?

Dado que un cabezal de escaneo de 3 ejes tiene un coste mayor que el sistema tradicional de 2 ejes, es conveniente comprender cuándo vale efectivamente la pena contemplar su uso. Como ya hemos mencionado antes, la diferencia sustancial entre los dos sistemas está en la diferente tolerancia focal, o lo que es lo mismo, en la posibilidad de marcar una pieza que, por sus características geométricas, no está siempre a la misma distancia de enfoque con respecto al borde del cabezal de escaneo.

Considerar un área de marcado de 100×100 mm, un cabezal de 3 ejes tiene generalmente una tolerancia de enfoque de aproximadamente 40 mm, mientras que el convencional se limita a una tolerancia de entre 2 mm y 6 mm.

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