RELACIÓN ENTRE LOS PARÁMETROS en el MARCADO A COLOR LASER EN ACERO INOXIDABLE

  1. Autores : P. Laakso (1), S. Ruotwlainen(1), H. Pantsarz (2), R. Penttilä (1)
  2. 1VTT, Lappeenranta, Finland
  3. 2 Fraunhofer Center for Laser Technology, Plymouth, USA
  4. Fecha edición: Enero 2009
  5. Traducción de artículo y modificado con enlaces, para su facilidad divulgativa (NdT): Felipe Génova

INDICE:

  1. Resumen:
  2. 1- Introducción
  3. 2- Principios del marcado LASER en color
  4. 3- Estrategias de proceso 
  5. 4- Configuración experimental
  6. 5- Resultados y comentarios  ; 
  7. 5.1- Crecimiento de la película de óxido;
  8. 5.2- Resultados de las pruebas básicas de calificación ;
  9. 5.3- Marcado a altas tasas de repetición (frecuencia de pulsos);
  10. 5.4- Marcado con un ancho de pulso de 100 ns hasta 1 ps
  11. 5.5- Efecto del ángulo de visión 
  12. 6-  Características decorativas del COLOR con LASER MOPA en productos de consumo y perspectivas para  futuro.
  13. 7- Conclusión.
  14. 8- Referencias ( hay 10 artículos y ensayos referenciados que forman base de este artículo)

Resumen: NdT :LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) 

Figura 1 : Test matrix para diferentes colores obtenido en VTT Lappeenranta. Finlandia

 El proceso de  marcado de color de los aceros inoxidables se conoce desde hace algún tiempo, pero aún no se ha utilizado mucho en la industria. Se han visto algunas aplicaciones industriales, pero los componentes del equipo  eran caros y difíciles de obtener. Por no estar desarrollados industrialmente.  AHORA SI Ahora son más accesibles.
Los nuevos EQUIPOS LASER de fibra MOPA permiten un ajuste independiente de diferentes parámetros LASER y el proceso de marcado puede optimizarse para producir colores con mejor calidad y apariencia visual.
Básicamente el tratamiento LASER de superficies metálicas crea una capa de óxido en la superficie. El grosor de esta capa define cómo se refleja la luz blanca de la muestra.
Lo que, en principio, es sólo una delgada capa de óxido en la superficie puede ser vista como colores diferentes por el espectador (observador, visualizador).
En este estudio, la apariencia visual de las superficies marcadas con LASER se optimizó variando los diferentes parámetros del LASER.
El objetivo era crear capas de óxido uniformes en la superficie que aparecería como una marca de color de alta calidad.
La calidad del marcado se evaluó mediante un examen visual.La relación de los diferentes parámetros LASER con el color producido se discute en base a estos resultados.
También se presentan unas pocas muestras de aplicación, posibles, entre las muchas que usted pueda imaginar.

1- Introducción El marcado de color de las superficies metálicas se realiza habitualmente mediante técnicas de impresión, anodización o revestimiento con emulsión. Sin embargo, se encuentran las siguiente dificultades : a- las propiedades de rayado de la impresión son limitadas. b- anodizar con precisión más de un sólo color no es fácil.

 Los recubrimientos de emulsión son más caros y requieren de un paso más para producir colores. Esto supone una de las ventajas de la aplicación LASER para pequeñas superficies como logos, o pequeñas figuras decorativas.
El LASER se puede usar para crear una marca de color permanente en una superficie metálica. Sería un proceso de un sólo paso con un alto rendimiento. A diferencia de las otras soluciones. El marcado LASER a color de metales se ha utilizado durante más de diez años con una variedad de fuentes láser diferentes. Ver / l, 2, 3, 4/.
A pesar de la posibilidad de variar los parámetros de procesamiento, por lo general en un amplio rango, algunos láseres son más adecuados para el marcado de colores que otros y la posibilidad de variar el ancho de pulso parece ser un aspecto importante para definir la calidad y el contraste del marcado. 

El láser típico elegido para el marcado,  es un láser de cristal de conmutación que produce pulsos en régimen de nanosegundos. Estos láseres no permiten un ajuste independiente de los parámetros de procesamiento, pero el ancho del pulso depende de la frecuencia de repetición y, a medida que cambia la frecuencia, también lo hace el ancho del pulso. 

Por lo tanto, los LASER que permiten el ajuste del ancho de pulso independientemente de la frecuencia pueden dar una ventaja en el marcado. (Son los LASER MOPA)

Para la mayoría de las aplicaciones, el marcado láser es el método más rápido y económico 

La flexibilidad del marcado láser se basa en la escritura con el rayo láser, que interactúa con la superficie del material creando la marca. A diferencia de la mayoría de las otras técnicas de marcado, el marcado por láser no utiliza productos químicos ni herramientas.

Algunos metales pueden marcarse de manera que la superficie aparezca coloreada.
Su fundamento es la oxidación y el efecto de película delgada. Para crear una marca uniforme y de alta calidad, el láser usado debe tener una calidad y estabilidad de haz lo suficientemente buenas.

Los nuevos láseres de fibra son muy adecuados para este método y su precio asequible abre nuevas aplicaciones para el marcado láser. Contacte conmigo
El marcado de colores con láser es fácil y hace que la superficie sea visualmente más atractiva.
Se pueden elegir colores adecuados mediante un control de parámetros adecuado y, si fuese necesario, la marca podría hacerse al paso sobre un objeto en movimiento, como ejemplo de velocidad y precisión. 

El grosor de esta capa define cómo se refleja la luz blanca de la muestra. Lo que, en principio, es solo una delgada capa de óxido en la superficie, se ve como colores diferentes por el observador. Si esta capa de óxido es gruesa y sólida, también tendrá buenas propiedades resistencia a la corrosión y arañazos, que son esenciales en los productos de consumo. 

La variación en el grosor de la capa de óxido y la rugosidad de la superficie tendrá un efecto en el color resultante visto por el observador (Figura 1). Dependiendo de la calidad de la capa de óxido, el color puede cambiar cuando se ve desde diferentes ángulos.

3 estrategias de procesamiento
El marcado láser en color se puede hacer usando diferentes estrategias de procesamiento. 

La Figura 2, consta de 4 cuadrantes que hemos separado en  a, b, c, d  muestra cuatro superficies diferentes, que se han marcado utilizando diferentes técnicas. Estas cuatro imágenes son micrografías resultados de aplicación de diferentes técnicas láser utilizadas para producir una capa de óxido en acero inoxidable AISI Tipo 304L.

Figura2a:

 En la figura 2a, cada línea produce una cierta carga térmica en el material y el color se produce línea por línea. Con este enfoque, la marca también podría ser líneas simples en lugar de un área marcada. La potencia del láser y la velocidad de escaneo se ajustan para crear un espesor de capa de óxido adecuado en la región iluminada. Para crear una superficie que parezca tener un color uniforme, el ancho de la línea debe estar en el rango de 20 a 50 µm. Si la línea es más ancha, la dirección de las líneas de exploración se hace visible. Se puede ver una banda estrecha del material base entre las líneas de color, pero estas no son visibles para el ojo humano.
La figura 2b muestra una superficie producida con otra técnica. 

Figura2b

Esta segunda forma de hacer una capa de óxido que refleje el color en la superficie es escanear el área de manera que las líneas de marcado se superpongan. La capa de óxido se crea por la energía acumulada de más de una línea. El grosor de la capa de óxido, es decir, el color visible, puede alterarse variando la potencia, la velocidad de exploración o el espaciado entre líneas.
La energía de entrada requerida para crear un determinado color se expresa en unidades J/mm2  La desventaja de este enfoque es que la última línea marcada parece tener un color diferente, debido a la energía de entrada diferente en esa área. Sin embargo, si el ancho de la línea es pequeño, es difícil reconocerlo sin una ampliación.

Figura 2c

En las dos técnicas anteriores, la superficie se ha derretido durante el procesamiento con láser y la capa de óxido se forma durante la solidificación y el enfriamiento.
Una tercera técnica:  Si la velocidad de recorrido es lo suficientemente alta, es posible calentar la superficie de manera uniforme y durante un tiempo suficientemente largo para formar la capa de óxido sin una fusión significativa. En este enfoque, el espacio entre líneas debe ser lo suficientemente pequeño como para llevar suficiente energía a un área de superficie para la formación de óxido. Como la velocidad de escaneo es muy alta y la misma área se escanea varias veces debido al pequeño espacio entre líneas. El rayo láser no actúa como una fuente puntual de energía sino más bien como una fuente de área.La capa de óxido resultante es muy uniforme y las líneas de marcado no se pueden ver incluso con un microscopio .Figura 2c.

Además de estas tres técnicas, es posible crear una rejilla con el óxido. En esta técnica (la cuarta) , cada pulso crea un grupo de fusión similar y, cuando se resuelve, los bordes del grupo de fusión crean una superficie de difracción. Tal superficie se presenta en la Figura 2d (observe la escala muy fina en oposición a casos  a, b y c). La superficie no tiene un color rojo en realidad como lo tiene la figura, pero el color es causado por la óptica D.I.C (NdT: Diferential Interference Contrast) utilizada para tomar la imagen microscópica. Cuando se ve a simple vista, la superficie refleja todos los colores según el ángulo de visión.

Algunos láseres, como el láser “excimer”, pueden emitir un haz que tiene una distribución

Figura 2d

de intensidad altamente uniforme. En consecuencia, un área más grande se puede calentar uniformemente sin mover el rayo láser. Se pueden crear pequeñas marcas de color con tales láseres utilizando una máscara que define la geometría del área iluminada en la superficie de la muestra. / 7 /

Todos los métodos anteriores se pueden hacer más rápido envolviendo en una atmósfera de oxígeno el proceso de marcado. Como la capa de óxido formada es un producto de la reacción de oxígeno y un elemento metálico, un mayor contenido de oxígeno y, por lo tanto, una mayor cantidad de oxígeno disponible para la reacción, mejora la velocidad de crecimiento de la película y agiliza el proceso de marcado. La potencia láser requerida para producir una película de óxido de cierto espesor puede por lo tanto reducirse en un ambiente de alto O2. También es posible que la tasa de crecimiento de óxido más rápida aumente la capacidad de absorción. El oxígeno también puede crear una reacción exotérmica que aporta más energía al proceso. Recientemente, se ha informado de una técnica láser adicional para hacer que los colores de las superficies metálicas utilicen un LASER-fs. En este caso, el color no es el resultado de una capa de óxido, sino de nanoestructuras en la superficie de la placa de metal /6/.

4 configuración experimental
Se utilizaron dos láseres de fibra diferentes en los experimentos. -Uno era un láser de fibra pulsada G3-20W de la marca comercial de SPI Lasers. – El otro ; un  láser de fibra pulsada que fue desarrollado por Fraunhofer USA, Inc. Center for Laser Technology (CLT) junto con la Universidad de Michigan /8,9,10/. El ancho de pulso del láser SPI podría ajustarse de 9 ns a 200 ns con 29 variantes diferentes. El láser Fraunhofer CLT permite el ajuste continuo del ancho de pulso desde unos pocos nanosegundos hasta 1µs.

 El rango de repetición del láser SPI es de 50KHz a 500 kHz y el láser Fraunhofer CLT podría usarse entre 10 y 100 kHz de frecuencia de repetición. 

Ambos láseres de fibra se basan en el enfoque del amplificador de potencia del oscilador maestro (MOPA).

Juntos, estos dos láseres ofrecen una amplia gama de parámetros para ver todos los resultados del marcado láser.

 -El láser SPI se conectó a un microscopio electrónico Scanlab Hurryscan II 14 con fl60 f-theta y se usó un expansor de haz l-4x. El análisis del haz se puede encontrar en la Figura 3

-El láser de fibra Fraunhofer CLT se conectó al microscopio electrónico Scanlab SKl020 con una lente f-theta de 163 mm.

Figura3.1: Mediciones de hazes diferentes del Laser SPI
Figura3.2: Mediciones de hazes diferentes del Laser SPI

Se eligió para los experimentos la calidad común del acero inoxidable AISI 304L. Se usaron placas de 1 mm de espesor y las placas se cortaron con láser a un tamaño de 5 por 6 cm. Las superficies se limpiaron con acetona normal antes de marcarlas, ya que incluso las huellas dactilares podrían tener un efecto marcado en el color resultante o en el grosor de la capa de óxido.

Los resultados se evaluaron en base al examen visual, así como con microscopio óptico. Se utilizaron Microscopios  SEM (Scanning Electronic Microscope) y SEM-EDS  (SEM- Enegy-Dispersive-Spectometer)  para obtener imágenes ampliadas de la capa de óxido formada y también detectar la composición química de la superficie.

5 Resultados y discusión

  1. Crecimiento de la película de óxido
    La investigación de la capa de óxido inducida por láser se realizó con un microscopio SEM (scan electronic Microscope) . Las muestras marcadas se mecanizaron en un tamaño específico antes del examen SEM y la imagen del borde de la capa de óxido que se ve en la Figura 4 se toma de un área cercana al borde mecanizado. El grosor de la capa de óxido sólo se podía medir desde su sección transversal y el mecanizado de las piezas creaba un buen borde para la medición.
Figura 4: Foto superficie de acero AISI 304 oxidada con chorro LASER. SEM de marcado SST. Color Visible verde Fecha 15/02/2008.

 El color visible de la muestra en la Figura 4  area marcada en verde.
Los parámetros del láser fueron 15W, 85 kHz, 2000mm/s, espacio entre líneas de 1.2 µm.  El tamaño del spot fue de 45 µm. El espesor de la capa de óxido cultivado con estos parámetros láser fue de aproximadamente 310 a 340 µm. Como se puede ver en la figura, la película de óxido es bastante uniforme en espesor, por lo tanto, crea una superficie de color uniforme.

Cuando la superficie se trata con el láser, la cantidad de estos elementos cambia.
El recuento medio de hierro disminuye en más de la mitad, la cantidad de cromo disminuye a aproximadamente la mitad de su contenido original y el recuento de oxígeno se duplica. Muchos de los otros elementos de aleación no deberían estar presentes en la película de óxido y los recuentos mostrados provienen parcialmente del material base. Sobre la base de estas mediciones, no es posible definir el tipo exacto de la capa de óxido. Las cantidades de oxígeno, hierro y cromo y su fracción en la composición de la película pueden variar según los métodos y parámetros de proceso. 

Figura 5a
Recuento atómico (contar átomos)  de diferentes elementos. Las mediciones se realizaron con SEM-EDS
Figura 5b
El gráfico presenta el recuento atómico de la superficie marcada, justo para el material antes de
calificación.

Figura 5. Recuento atómico (contar átomos)  de diferentes elementos. Las mediciones se realizaron con SEM-EDS Izquierda
El gráfico presenta el recuento atómico de la superficie marcada, justo para el material antes del marcado.

5.2 Efecto de los parámetros de procesamiento sobre la formación de color Los láseres de fibra MOPA permiten un ajuste muy libre de los parámetros de procesamiento y el parámetro.
El espacio es muy amplio. Para optimizar el proceso, se puede ajustar el ancho del pulso, la frecuencia de repetición, la potencia promedio y la velocidad de exploración. Además, las combinaciones de estos parámetros producen diferentes energías de pulso y potencias máximas. FÓRMULAS :

Formula1: El dato de Potencia Pico durante un pulso se puede calcular por Ppico=P/tp.f en donde P es la potencia promedio [W],  tp es el ancho del pulso [s],  f es la frecuencia de repetición del pulso [Hz] .

Formula 1:

Formula 2: Potencia Pico en funcion de la Energía del pulso(Ep)[J] y la amplitud del pulso (tp)[sg] Ppico=Ep/tp

Formula2:

Formula 3: Ep=P/f es la energía del pulso [J], P es la potencia media [W] f , frecuencia de repetición [Hz]

Formula3:

Debido a la gran cantidad de parámetros, los experimentos se diseñaron manteniendo constantes varios parámetros mientras se ajustan los demás y se establece el efecto de los parámetros de procesamiento individualmente. 

En los experimentos se usaron ambos láseres. Los espacios de parámetros de los láseres se superponen en algún aspecto, pero para conocer los efectos del parámetro de procesamiento en un sentido más amplio; el LASER SPI de fibra LASER se usó principalmente a velocidades de repetición superiores a 100 kHz y el láser CLT se usó con pulsos más largos, hasta 1µs (microsegundo). 

Las muestras se marcaron mediante líneas de exploración de lado a lado con un espacio de 25 o 30 µm y variando la velocidad de exploración para cambiar la energía de entrada por área. Cada línea se escaneó de izquierda a derecha, para evitar cualquier acumulación térmica en las áreas de borde que causaría el escaneo bidireccional. Ambos láseres emitieron un haz de un diámetro aproximado de 30 µm en la superficie de la pieza de trabajo utilizando una óptica F-theta de 160 o 163 mm para enfocar el haz colimado.
El área de marcado para una combinación de un solo parámetro fue de 2 por 2mm. Para cada conjunto de parámetros láser (ancho de pulso, potencia, frecuencia) se marcó una matriz de parámetros de muestra de 5 por 10 en la que la velocidad de exploración cambió de muestra a otra gradualmente con pequeños pasos de 20 a 212 mm/s.  En total, esto dio como resultado 50 velocidades de escaneo diferentes, cada una creando una apariencia ligeramente diferente de (o en)  la superficie.

En la Figura 6 se presenta un ejemplo de 6 matrices de parámetros en una placa de acero inoxidable. El objetivo del presente estudio no era tanto optimizar los colores dados, sino revelar el efecto de los parámetros independientes sobre la calidad del marcado. 

colores obtenidos variando parámetros con un LASER MOPA
Figura 6 se presenta un ejemplo de 6 matrices de variación de parámetros para obtener diferentes colores en una placa de acero inoxidable.

Dado que el grosor de la capa de óxido es el factor dominante para determinar el color visual de la superficie, en la mayoría de los casos los colores aparecen en una secuencia similar. Las velocidades más lentas crean una superficie oscura, que no refleja la luz de un color determinado. En ese caso, la capa es suficientemente gruesa para absorber la mayor parte del espectro visible. 

Las velocidades de exploración más altas producen una superficie que parece brillante, pero no muy coloreada (con colores intensos) . En este caso, los pulsos láser recuerdan una capa delgada en la superficie y la resolución rápida y el enfriamiento rápido producen una superficie brillante, que no tiene tiempo suficiente para formar una capa de óxido visible. Entre estos dos extremos se pueden producir colores marrón, azul, verde, rojo, morado y dorado. El contraste y el orden de estos colores pueden variar según se varien los parámetros del láser.

5.3 Resultados de los test básicos de calificación:

5.3.1 El primer conjunto de experimentos se realizó utilizando una potencia promedio de 4 W. El ancho de pulso varió entre 30 y 180 ns, y la tasa de repetición varió entre 400 y 66.7 kHz. Estos dos parámetros se variaron de una manera para producir un pico de potencia constante; pulsos cortos se utilizaron con altas tasas de repetición y viceversa. La potencia máxima fue constante a 333 W. Los mejores colores se produjeron utilizando un ancho de pulso de 90 o 120 ns y una frecuencia de repetición de 133 o 100 kHz, respectivamente. Estos parámetros dieron como resultado una energía de pulso de 30 y 40µJ. Tasas de repetición más altas o más bajas no produjeron colores que parecieran tan buenos. La mayoría de los cuadrados marcados con las tasas de repetición altas o bajas parecían marrones con tonos de otros colores.
Los resultados de estos experimentos se pueden ver en la Figura 7.

Figura7: 5 matrices test: 1 30 ns, 2. 90ns, 3. 120 ns, 4. 150 ns and 5. 180 ns

5.3.2 En el segundo conjunto de experimentos, la tasa de repetición (frecuencia) se mantuvo constante a 100 kHz y se usó una potencia máxima de 333W similar para todas las muestras. El ancho del pulso varió de 90 a 180 ns y la potencia promedio de 3 a 6 W. El propósito fue averiguar si el área del parámetro que resultó en colores de buena calidad durante los primeros experimentos fue el resultado de la tasa de repetición correcta o por el ancho de pulso. Se descubrió que los mejores colores se producían de nuevo con alrededor de 100 ns de pulsado. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que, dado que la potencia máxima se mantuvo constante, el uso de un pulso más largo también se utilizó con una potencia media más alta y energía del pulso.(mayor consumo) En estos casos, el uso de velocidades de exploración más altas puede crear algunos colores.  Pero al usar velocidades similares a las del primer conjunto de experimentos, las muestras marcadas con una potencia promedio de 5 o 6W y una energía de pulso de 50 o 60µJ, respectivamente, dieron como resultado un acabado superficial de baja calidad y principalmente marrón u dorado. Los primeros dos conjuntos (1y2) se marcaron utilizando una potencia máxima fija de 333 W y ajustando los otros parámetros del láser.A juzgar por los resultados, la mayoría de los buenos colores se produjeron usando una energía de pulso de 30 o 40 µJ. 

5.3.3 El siguiente conjunto de experimentos se realizó utilizando energía de pulso constante de 40 µJ.  Para mantener constante la energía del pulso, la potencia promedio se ajustó a 1, 3, 4, 6 u 8 W y la tasa de repetición fue de 25, 75, 100, 150 o 200 kHz, respectivamente. El ancho de pulso fue constante a I20 ns. En todos los casos, los colores son bastante buenos, con la excepción de las muestras marcadas con una potencia promedio de 1W y una tasa de repetición de 25 kHz. En este caso, la energía del pulso es similar a la de otros experimentos, pero la baja potencia promedio no entrega suficiente energía al área para crear una capa de óxido lo suficientemente gruesa. La energía del pulso es suficiente para derretir una capa delgada en la superficie y el área marcada parece pulida. El color se puede interpretar como plata.
Las matrices de prueba marcadas a 3, 4, 6 y 8W de potencia produjeron un buen espectro de colores. 

5.3.4 Se realizó un conjunto de experimentos utilizando una potencia promedio fija de 4 W y la energía de pulso óptima establecida de 40 µJ. El fin era determinar con mayor precisión el efecto de la potencia máxima, que a una potencia promedio dada y la tasa de repetición se determina por el ancho del pulso o la energía del pulso (véase la ecuación 2). El ancho del pulso se varió entre 30 y 180 ns, lo que resultó en una potencia máxima de 222W a 1.33kW. Curiosamente, los pulsos más cortos, 30 ns, dieron como resultado la mayor variedad de colores diferentes. Las áreas marcadas con pulsos de 60ns aparecieron principalmente marrones y las áreas marcadas con anchos de pulso de 90 a 180ns crearon colores similares, la única diferencia fue el acabado más brillante y un ángulo de visión limitado en comparación con las marcas en pulsos de 30ns. 

Figura 8. Creación de colores con combinación de energía de pulso y velocidad de marcado

5.4 Marcado a altas tasas de repetición
Se llevó a cabo un conjunto de experimentos utilizando la escala completa de tasas de repetición que van desde 50kHz hasta 500 kHz. La potencia promedio se mantuvo constante a 4W y, por lo tanto, la energía del pulso varió entre 80 y 8µJ, respectivamente. El ancho de pulso fue de 120 ns.
Tasas de repetición más bajas comenzaron a eliminar el material de la superficie y dieron como resultado una mala calidad de marcado.
Las tasas de repetición más altas dieron como resultado mejores colores, cada uno de ellos con diferentes tonos.
La tasa de repetición más alta también formó algunos colores, pero la calidad de estos resultó baja . La figura 8 es un cuadro de los diferentes resultados con diferentes frecuencias .

N.de T.: Este cuadro puede ser muy útil. Resumiendo se observa lo siguiente: Para obtener : A-Rojo: rango pulso , entre 10 y 15 microJulios y una velocidad de marcado entre 25 y 50mm/sg  B-Marron:rango pulso, entre 10 y 30 energia pulso y  velocidad de marcado entre 25 y 50mm/sg C-Amarillo: rango de pulso entre 10 y 30 y velocidad marcado 25 y 100 mm/sg D-Verde: rango de pulso entre 10 y 27  y velocidad marcado entre 100 y 125 mm/sg E-Azul: rango de pulso entre 10 y 30 y velocidad marcado entre 135 y 175 mm/sg  F-Dorado: rango de pulso entre  10 y 20 y velocidad marcado entre 200 y 225 mm/sg

5.5 Marcando con un ancho de pulso de 100 ns hasta 1 µs
También se probó un rango más amplio de valores de ancho de pulso, que van desde 100 hasta 1000ns. La frecuencia de repetición se estableció en 100 kHz y la potencia promedio fue de 4 W. Por lo tanto, la energía del pulso fue de 40µJ y la potencia máxima se definió por el ancho del pulso, que oscila entre 40 y 400 W.
Los pulsos de 1µs  produjeron colores claros,  bastante buenos. En este caso, el fenómeno físico de la formación del color es bastante diferente de los experimentos con pulso ​​más cortos. La apariencia de la superficie depende mucho del ángulo de visión y es direccional. Por lo tanto, la capa de óxido posiblemente no sea el único fenómeno responsable de reflejar los colores de la superficie.
La investigación microscópica adicional de la superficie tratada muestra que a velocidades de procesamiento correctas, la distancia pulso a pulso es aproximadamente 1µm. Cada pulso crea un área de fusión similar y, cuando se re-solidifica, los bordes del grupo fundido crean una superficie de difracción. Esa superficie se presenta en la Figura 2d. La superficie no tiene un color rojo en la realidad como lo tiene la figura, pero el color es causado por la óptica DIC utilizada para tomar la imagen microscópica. Los pulsos de ancho de 500 a 1000 ns produjeron una apariencia de superficie similar, y en todos estos casos el color de la superficie depende en gran medida de la dirección y ángulo de visión. Los mejores resultados se lograron utilizando un ancho de pulso de 100 a 150ns y un espacio entre líneas de 30 a 40µm. Las velocidades de exploración probadas más lentas produjeron una superficie verde oscuro y aumentaron gradualmente la velocidad en que el color cambió de verde a púrpura, rojo, azul y finalmente dorado y plateado.
En general, se obtienen las siguientes conclusiones de los diversos experimentos de marcado realizados con los dos láseres de fibra MOPA en un espacio de parámetros muy grande. Todos los resultados están relacionados con el diámetro del punto focal, que en ambos casos fue de aproximadamente 30 a 35µm.
La variación del tamaño del punto focal tiene un efecto marcado en la calidad del marcado y para los niveles de potencia utilizados en este estudio, el diámetro del punto focal de 30 a 35 µm produjo los mejores resultados.
La energía utilizada en el proceso de marcado se puede dividir en dos aspectos diferentes;  El primero es la energía del pulso, que determina la cantidad de energía traída a la superficie durante un solo pulso [J]. Esta energía depende solo de la ecuación 3). El pulso láser de una energía dada puede calentar, fundir o evaporar el área de interacción en la superficie, dependiendo de la potencia máxima, que está determinada por el ancho del pulso.
 El segundo es la entrada de energía por unidad de área [Ws/mm2 =J/mm2], que se define por el tiempo de marcado [s] y la potencia [W], el tiempo de marcado naturalmente depende de la velocidad de exploración y el espaciado de línea . Ambos esquemas tienen un efecto en la apariencia visual de la superficie en una marca de fl era.
Se descubrió que muchas combinaciones de parámetros diferentes producían superficies de color útiles. En el rango de potencia utilizado, la mayoría de los colores aplicables se marcaron utilizando una energía de pulso de 10 a 40 uJ. Por encima de estos valores, el impacto térmico de un solo pulso era demasiado alto y la superficie se vuelve gris / marrón.

 El siguiente factor limitante fue el ancho de pulso, que determinó la potencia máxima. Al comparar los mejores resultados de superficies de color azul, rojo, verde y dorado producidas con los dos láseres, todas se produjeron utilizando un ancho de pulso de 120 ns y una frecuencia de repetición de 100 a 350 kHz. El uso de pulsos más cortos o tasas de repetición más bajas dio como resultado colores menos claros. 

Además, cuando se usaba una frecuencia muy alta,> 400 kHz, la energía del pulso era demasiado baja para crear un impacto deseado en la superficie. Esto lleva a suponer que si la potencia máxima excede un valor de aproximadamente 500 W o es inferior a 100 W, la calidad del marcado se complica. La única excepción a estos hallazgos es el conjunto de parámetros marcado con una frecuencia de repetición de 100 kHz, una potencia promedio de 4 W y un ancho de pulso corto de 30 ns. Esta combinación de parámetros alcanzó un alto valor de potencia máxima de 1.3 kW, sin embargo, los colores producidos eran claros.
En este caso, se puede suponer que el proceso es una combinación de evaporación y fusión, creando un ciclo térmico óptimo para el marcado. Si el proceso se basa en la evaporación, la micro rugosidad creada durante el marcado explicaría el ángulo de visión más amplio.
Después de encontrar los parámetros óptimos de pulso, la mayoría de los colores se pueden producir solo cambiando la velocidad de exploración, es decir, cambiando la energía por unidad de área, lo que determina la carga térmica en el material y, por lo tanto, tiene el mayor efecto sobre el grosor y el color de la capa de óxido . 

5.6 Efecto del ángulo de visión
Dado que el marcado de color se basa en el reflejo de la luz de la superficie metálica a través de la delgada película de óxido, el ángulo de visión es obviamente un tema importante. La dirección de marcado y el diseño de la imagen, el logotipo o el patrón pueden idearse de manera que el producto se vea normalmente desde el ángulo al que la luz se refleja de la manera más atractiva.
Si el marcado se realiza en un producto que es estacionario, la iluminación ambiental puede diseñarse de manera que la superficie marcada en color atraiga la atención del espectador.
Los parámetros del láser también se pueden seleccionar de modo que se cree una apariencia visual adecuada según el producto, su uso y ubicación. Cuando el rango de parámetros es tal que funde suavemente la superficie del material, la geometría de la superficie se suaviza y el ángulo de visión óptimo debe ser más preciso. Si el rayo láser realmente puede producir una superficie que es desigual, pero la capa de óxido es uniforme, es posible ver el color desde un rango más amplio de ángulos de visión, a medida que la luz se dispersa en lugar de reflejarse en una sola dirección desde una superficie plana.
Confirmar estos supuestos y optimizar el proceso manteniendo el ángulo de visión en mente todavía requiere más experimentación.

Figura 9.1
Figura 9.2

La Figura 9 muestra la medición de la muestra marcada con color en condiciones de iluminación normalizadas. Los parámetros de procesamiento del láser fueron (1) 4 W de potencia láser, (2) ancho de pulso de 100 ns, (3) velocidad de escaneo de 48 mm/s, (4)espaciado de línea de 40 µm y (5)velocidad de repetición de 100 kHz. Los resultados muestran cómo el ángulo de visión tiene un efecto notable en la forma en que el espectador ve la muestra. La rugosidad de la superficie aumentaría este brillo del valor del color. Debido a las condiciones de prueba, el rayo no se pudo ajustar a más de 75 °.

6 características decorativas en productos de consumo y perspectivas para el futuro potencial
Los productos grabados con láser llevan en el mercado para los consumidores durante mucho tiempo, pero los productos marcados con láser de color se verán más adelante. Un buen ejemplo podría ser la personalización de aparatos electrónicos. Ha habido aplicaciones de grabado láser disponibles desde hace algún tiempo, pero dado que la SST se ha utilizado más comúnmente hoy en día en estos dispositivos, la marca de color también estaría disponible.


  La Figura 10 muestra un panel frontal marcado con color láser en un producto de telecomunicaciones. El color rojo le da un toque agradable a la perspectiva simplificada. 

Figura10. Panel frontal de dispositivo de telecomunicaciones marcado con color láser MOPA. Foto cortesía de Tarkmet Oy,
Vaasa, Finlandia.

Figura 10. Color del láser marcado en el panel frontal del dispositivo telecom. Foto cortesía de Tarkmet Oy, Vaasa, Finlandia.


Figura 11. Logotipo marcado con color láser en titanio

En tenedores y cuchillos, textos de acero inoxidable se han utilizado durante siglos con letra en  negro. Ahora los fabricantes tendrán la posibilidad de agregar características decorativas en color en tenedores , cuchillos y otros utensilios.
Otra aplicación posible para el marcado de color son los logotipos de compañías en los productos  como la (Figura 11.).
En los próximos años, el marcado láser en color tendrá un papel más importante en el marcado debido a la gran demanda de personalización de productos de consumo. Hay muchas aplicaciones en las que se usa el grabado láser y cuando el marcado de color sea un proceso suficientemente maduro, reemplazará muchas de esas aplicaciones. Por otro lado, los productos industriales a gran escala han comenzado a competir con características que no son relevantes con respecto al funcionamiento del producto.
Incluso la perspectiva de la maquinaria pesada se está diseñando para que pueda usarse como un elemento de ventas exitosas. En tales casos, se puede usar el marcado láser en color de las superficies de acero inoxidable para agregar características decorativas, que no son sensibles a la corrosión, el desgaste o los rasguños.
La disminución constante de los precios del láser de fibra y la mejora simultánea en las características técnicas disminuyen el umbral de inversión en marcado láser.

Incluso los minoristas de productos de consumo pueden encontrar económicamente factible marcar con láser sus productos en el sitio y personalizarlos con diseños y colores preferidos por el cliente. Una gran oportunidad en el marcado láser en color es poder crear imágenes RGB al adaptar los pulsos para formar píxeles de colores. En teoría, esto es posible, pero presenta un gran desafío para la estabilidad del pulso, el control del láser y la integración de escáneres y otros equipos auxiliares.

7. Conclusión

Es posible obtener marcado a color sobre superficies metalicas pulidas, como acero inoxidable con LASER . Los equipos que existen y están diseñados para esto son los equipos LASER MOPA
El marcado láser en color es una técnica prometedora que se conoce desde hace varios años.  Lo que se ve como un área coloreada es en realidad una superficie de metal reflectante que está recubierta por una delgada película de óxido. El color está definido por el grosor de la capa de óxido.
El proceso de marcado láser en color es una alternativa atractiva para imprimir, anodizar, recubrimientos en emulsión o usar adhesivos. El proceso, no utiliza productos químicos ni herramientas, la precisión es extremadamente buena y se pueden marcar diferentes colores y figuras simplemente cambiando los parámetros del láser y modificando la imagen utilizando el software adecuado. El uso todavía es limitado, posiblemente debido a la falta de información sobre las propiedades de corrosión, desgaste y rayaduras de las superficies.
Los láseres de fibra MOPA se muestran como una herramienta aplicable y útil para el marcado de colores.  Los diferentes  parámetros y la posibilidad de ajustar de forma independiente cada parámetro láser hacen posible optimizar el proceso para producir colores más brillantes y de mayor contraste. También podría ser posible tener en cuenta el ángulo de visión durante el proceso de diseño.
Los resultados del procesamiento muestran que los principales factores limitantes para producir marcas de alta calidad son la energía del pulso y la potencia máxima del pulso. El uso de láseres de fibra MOPA ajustables por ancho de pulso permite seleccionar una energía de pulso correcta para el material y luego ajustar la potencia máxima optimizando el ancho de pulso.  Sin embargo, debe tenerse en cuenta que encontrar los parámetros de proceso correctos para crear un determinado color puede llevar mucho tiempo y algunos de los efectos no se comportan de manera lineal. Pero una vez que se encuentra la combinación de parámetros, el marcado es fiable y sin esfuerzo.
Para encontrar más aplicaciones industriales, el proceso debe hacerse más rápido. Esto se puede lograr utilizando una mayor potencia del láser, mayores tasas de repetición y velocidades de escaneo. 

También es posible hacer el marcado en una atmósfera de oxígeno para mejorar la tasa de crecimiento de la película de óxido. Un tamaño de punto más grande hace posible utilizar energías de pulso más altas que aún mantienen una intensidad factible en la superficie. En lugar de utilizar un perfil de haz gaussiano, el haz de modo único se puede convertir en un haz de sombrero de copa, creando una distribución de intensidad más uniforme, lo que podría ser beneficioso para el resultado.
Sobre todo, se puede concluir que el marcado láser en color tiene un alto potencial para convertirse en una técnica ampliamente utilizada para el marcado y la decoración de productos.  Sin embargo, antes de que la técnica se pueda utilizar en productos para consumidor de alto volumen, se necesitan más investigaciones y pruebas de aplicación para establecer y cuantificar las propiedades ópticas, de desgaste, corrosión y rayado de la superficie marcada. (pruebas sobre cada material) También es esencial crear más información sobre cómo los colores seleccionados se relacionan con los parámetros de procesamiento en un sistema láser determinado. En definitiva, con un LASER MOPA, y realizando diferentes pruebas, se obtendrán los resultados deseados. 

N.de T.: Este es un artículo antiguo (2008) y el origen de la idea de fabricación industrial de las estaciones de trabajo LASER MOPA

8 Referencias
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[10] – T. Lauterborn, S. Heinemann and A. Galvanauskas, “Flexible Yb-doped fiber laser generating a single-transverse mode beam with up to 0.5mJ/11W,” International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, Miami, FL, Nov 2005, paper 508

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