El papel del rayo láser en los plásticos

El procesamiento de plásticos es una de las áreas de mayor crecimiento para la tecnología de los rayos láser. En los años recientes, los nuevos tipos de rayos láser han ganado aplicaciones como las ya mencionadas, que se están utilizando en las industrias automotriz, médica, de circuitos impresos y en la fabricación de prototipos rápidos.

Es importante tener una noción de cómo se generan y cómo operan los rayos láser para comprender su funcionamiento, clasificación y potenciales aplicaciones.

Los rayos láser son ondas de luz que actúan sin que el instrumento que las genera tenga que entrar en contacto con el plástico. Los haces de luz llevan enormes cantidades de energía hacia áreas específicas. El tipo de interacción que toma lugar entre la luz emitida por el instrumento láser y el material procesado depende de las propiedades del material así como de la longitud de onda y la fluencia (energía por unidad de área) de la luz emitida.

Los equipos láser que emiten luz en la franja infrarroja del espectro (a más de 700 nm) son muy usados para el procesamiento de plásticos. Los tres tipos de equipos que emiten rayos láser infrarrojos son de dióxido de carbono, diodos o de neodimio. Estos sistemas están destinados a la realización de procesos en caliente. Debido a que los plásticos reaccionan de diferente manera ante los rayos infrarrojos, se debe escoger la amplitud de onda apropiada para cada tipo de resina.

Por otro lado, los rayos láser que están situados en la franja ultravioleta (a menos de 400 nm), portan fotones de alta energía que rompen los enlaces moleculares en la superficie de los materiales en un proceso que consiste en la ablación en frío, que puede generar detalles altamente definidos y con bordes suaves. Una ventaja adicional de los rayos en la franja ultravioleta es que éstos se pueden enfocar en sitios más pequeños que lo que pueden lograr los rayos láser en la franja infrarroja. Esta característica puede generar detalles complejos más pequeños y alcanzar la concentración de energía necesaria para procesar el material aún a niveles modestos de energía. Debido a que los rayos láser infrarrojos tienen mayor energía que los ultravioleta, los primeros son empleados en aplicaciones de alta velocidad.

La siguiente tabla describe los diferentes tipos de rayos láser empleados en la industria de los plásticos y sus campos de aplicación.

Aplicaciones por tipo de rayo láser y por longitud de onda
Aplicación	Rango de longitud de onda, nm	Tipo de rayo láser
Corte, perforación y sinterizado.	Infrarrojo (9400 a 10600)	CO2
Marcado	Ultravioleta (355)	UV de neodimio
Micro-maquinado	Ultravioleta (355)	UV neodimio
Soldaduras y uniones	Infrarrojo (~800)	Diodo de alta potencia
Fotopolimerizaci溶 selectiva	Ultravioleta (355)	UV de neodimio.
Pulido de llama	Infrarrojo (10600)	CO2
Grabado de moldes	Infrarrojo (1046) y Ultravioleta (355)	IR & UV de neodimio
Fuente: Plastics Technology, junio, 2002

Maquinado con láser de CO2
Los rayos láser de CO2 son ampliamente usados para maquinar, partir, perforar, hacer medios cortes, sinterizar y realizar pulimentos de llama en plásticos delgados como la poliamida o poliésteres usados para membranas de circuitos. Otras unidades láser de este tipo pueden ser usadas para pulir con llama los bordes de láminas de acrílicos y sinterizar polvos para la fabricación de prototipos rápidos.

Láser de diodos para soldadura
Las ventajas de esta técnica se deben principalmente a que los diodos de rayos láser generan poca energía. Además, son controlados con facilidad porque pueden ser enfocados en lugares específicos y permiten ser activados y desactivados instantáneamente. Este tipo de rayos láser también tiene la posibilidad de ser empleado en activar adhesivos termoplásticos y realizar el curado de adhesivos termofijos, como los epóxicos. Para efectuar la soldadura, uno de los materiales tiene que ser transparente al rayo láser mientras que el otro debe absorberlo. La luz del láser se transmite a través del material transparente hacia el plástico que la absorbe para crear soldaduras que son significativamente más fuertes que las logradas por otros medios.

Marcado con rayos láser UV
Los rayos láser de neodimio con longitud de onda 255 nm son ideales para realizar el marcado de una variedad de plásticos, incluyendo PE, PP, ABS y PBT. Rayos de baja fluencia se emplean para cambiar el color de pigmentos comunes blancos, como el TiO2, en el plástico. Este cambio toma lugar sin remover el material o alterar la calidad de la superficie del producto. Debido a que los rayos láser UV de marcado sólo afectan los pigmentos fotosensitivos, el proceso es independiente de la matriz en la cual el pigmento está embebido. Los sistemas de barrido galvanométrico pueden lograr velocidades de marcado de símbolos alfanuméricos y de códigos de barras mayores a 100 caracteres por segundo sobre una variedad de plásticos.

Micromaquinado con rayos láser UV
Muchos aparatos médicos hechos en plástico requieren contener huecos y rendijas diminutas. Debido a que estas perforaciones son tan pequeñas, no se pueden moldear fácilmente y por lo tanto deben ser hechas en operaciones secundarias. Los huecos tienen que ser maquinados con precisión, sin dejar filos burdos y sin cambiar la apariencia de la calidad de la superficie. El micromaquinado de precisión requerido por ciertos instrumentos médicos se logra hoy en día con rayos láser. Los preferidos para este tipo de operaciones son los rayos UV de neodimio porque tienen la capacidad de realizar los cortes en frío y pueden ser enfocados con mayor exactitud que los rayos calientes de IR. Estos rayos también se emplean para hacer perforaciones en membranas de circuitos electrónicos debido a que no dejan residuos carbonáceos y son ideales para operaciones delicadas donde no es deseable añadir operaciones de limpieza posteriores.

Fotopolimerización con rayos láser UV
La esterolitografía es el proceso más usado para fabricar prototipos rápidos creados como objetos de tres dimensiones mediante un procedimiento de solidificación selectiva de capas sucesivas, con el uso de un líquido fotosensible a la luz láser UV. Los rayos láser UV de neodimio (335 nm) se utilizan en esta aplicación, junto con sistemas de barrido que operan con base en galvanómetros controlados por programas computarizados.

Grabado de moldes de inyección
El grabado de moldes con formas pequeñas en tres dimensiones es muchas veces un reto problemático para los manufacturadores. Los métodos de maquinado y de EDM se usan algunas veces para esta aplicación, pero el ajuste del proceso de grabado puede ser difícil y tomar mucho tiempo.

Muchos de los grabados tienen tamaños del orden de 0,008 pulgadas y deben caracterizarse por ser claros, a pesar de estar hechos en tres dimensiones. Estas operaciones pueden ser llevadas a cabo con los rayos láser de neodimio para crear detalles finos a una mayor velocidad y flexibilidad. Los programas de procesamiento permiten también hacer cambios instantáneos en los diseños. El proceso es independiente de la dureza del material o de su conductividad, por lo que tanto los plásticos como otros materiales (cerámicas y metales duros) se usan en esta aplicación.