Procesar madera usando la tecnología de procesamiento digital de materiales mediante láser (DLMP®)
Madera es el nombre genérico con que se denomina el material estructural fibroso derivado de los troncos, raíces y ramas de los árboles. La madera se divide a grandes rasgos en maderas suaves (gimnospermas) y maderas duras (angiospermas). Para las consideraciones del procesamiento mediante láser, la madera también se puede clasificar por su densidad. La densidad es influenciada principalmente por la especie del árbol. Por ejemplo, la ironwood es muy densa y la balsa es muy ligera. Sin embargo, otros factores como el clima y las condiciones del suelo también tienen un papel en la densificación de las fibras de la madera.
La madera es quizás el producto natural más versátil que han usado las sociedades a través de los siglos, debido a sus propiedades estéticas y físicas. Es rígida, pero se le puede dar forma con temperatura, humedad y métodos mecánicos. Es resistente a los impactos y tiene una buena relación fortaleza a peso. Sin embargo, muchas de sus propiedades son anisotrópicas y la máxima utilidad y belleza se logra cuando la veta de la madera está orientada perpendicularmente a la superficie.
A nivel químico, la madera está compuesta de celulosa y ligninas, dos de los materiales orgánicos más abundantes en la Tierra. Esta estructura química sufre combustión parcial al interactuar con energía láser. El factor principal que afecta los resultados de usar la tecnología de Procesamiento digital de materiales mediante láser (DLMP) con madera es la densidad y la uniformidad de su densidad. Esto se explica más adelante en las secciones de procesamiento correspondientes.
El efecto más útil de la energía láser en la madera es la ablación y modificación del material. Cada uno de estos procesos se describen en su respectiva sección a continuación.
La ablación de material es un proceso físico que remueve material. El material es removido completamente desde la superficie superior hasta la inferior, o parcialmente, desde la parte superior del material hasta una profundidad determinada.
Todas las especies de madera tienen una absorción excelente de la energía láser de CO2 (longitud de onda = 10,6 μm). Cuando la madera absorbe energía láser, rápidamente convierte la energía óptica en vibraciones moleculares (calor). La suficiente temperatura conduce a descomposición y combustión rápidas. El material que está directamente en la ruta del láser es extraído por ablación transformándose en vapor y partículas finas. El material que se encuentra inmediatamente fuera del punto o del trayecto del láser conducirá algo de calor, pero no lo suficiente para lograr una combustión y ablación completa y profunda. A esta área de efecto térmico con frecuencia se le llama zona afectada por el calor o HAZ. La calidad de la superficie varía de oscurecida y pegajosa a negra y carbonosa. Algunos de los productos de esta combustión son solubles en agua, lo que significa que el residuo oscuro se puede remover parcialmente con agua y un paño, o con un cepillo plástico.
Grabado láser
El grabado láser es el proceso mediante el cual el material es removido desde la superficie superior hasta una profundidad determinada. Esto es posible debido al control preciso de la modulación láser. Al variar continuamente la potencia láser, el grabado láser puede usarse para texturas, fotografías e información, como textos y números. Este ejemplo muestra cómo la energía láser puede ser controlada para remover material hasta una profundidad controlada. Grabar madera produce un residuo similar al corte de madera. El residuo se endurece al secarse. Con frecuencia es deseable limpiar la superficie superior y dejar que el residuo se seque en el grabado, ya que esto mejora el contraste. Sin embargo, también se puede limpiar el grabado con agua para mejorar la apariencia de la veta natural de la madera.
Letras, números y un patrón de diamante 3D grabados con láser en madera de cerezo. El patrón de diamante, o tramado, ha sido limpiado para mostrar más la veta natural de la madera.
Modificación de material
Al usar tecnología DLMP para la ablación del material, se aplica suficiente energía para vaporizar una cantidad significativa de material. Esto deja un residuo oscuro causado por la combustión parcial de las fibras de madera, como se describió anteriormente. Al reducir la potencia láser, la madera se puede oscurecer sin remoción de material sustancial. Este es un tipo de modificación del material útil para el marcado láser de productos de madera.
Marcado láser
Cuando se usa energía láser para producir información o identificación en un material legible por máquinas o humanos, tales como un código de barras, fecha, lote, o un número de serie o de pieza, el proceso se considera marcado láser. La imagen del ejemplo muestra un tipo de letra de tamaño decreciente marcado con láser en madera de cerezo.
Un tipo de letra de tamaño decreciente marcado con láser en la superficie de madera de cerezo de 1/10” (2,5 mm)
Procesos combinados
Se pueden aplicar múltiples procesos a la madera sin tener que mover o reajustar el material. Este ejemplo demuestra cómo se pueden combinar procesos para cortar formas cuadradas y redondas, marcar caracteres y texturas, y marcar detalles finos en madera de cerezo en un solo paso de fabricación, usando tecnología DLMP.
Un proceso láser combinado que muestra el grabado de texturas y caracteres, marcado en superficie y corte usando madera de cerezo de 3/8” (9,55 mm)
Consideraciones de salud, seguridad y ambiente
Las interacciones del láser con el material casi siempre crean emanaciones gaseosas o partículas. Procesar madera con un láser CO2 genera vapores que contienen monóxido de carbono, acroleína y formaldehido, principalmente de la combustión de compuestos de celulosa. También se generan otros sólidos y partículas con altos puntos de ebullición, derivados de la combustión incompleta de las ligninas. Las emanaciones del procesamiento de madera deben ser conducidas al ambiente exterior. Alternativamente, las emanaciones pueden ser tratadas primero con un sistema de filtrado y luego conducidas al ambiente exterior. La combustión de la madera es inherente al procesamiento mediante láser y puede producir llamas. De esta forma, el procesamiento mediante láser siempre debe ser supervisado.
