El marcado por láser es una parte habitual de muchos procesos de fabricación en la industria, con gran importancia en el sector de los bienes de consumo rápido (en inglés fast-moving consumer goods, FMCG), ya que respeta el medio ambiente sin perder productividad. La velocidad de las líneas de producción es un factor determinante en la capacidad de producción de muchas industrias, pero su escalabilidad podría verse obstaculizada por algunos límites fundamentales de las actuales tecnologías de marcaje láser. En la actualidad, la mayoría de los equipos de marcado láser se basan en un único haz láser con el correspondiente procesamiento secuencial que culmina en un cuello de botella de rendimiento que limita la velocidad de la línea de producción de impresión a una barrera de facto de 8 m/s. En esta tesis, reviso las tecnologías más avanzadas, sus factores limitantes y analizo cómo pueden superarlos los futuros sistemas. Propongo, implemento y valido varias plataformas que superan estas barreras mediante el uso de una matriz de haces láser, originados por matrices lineales de láseres semiconductores o matrices lineales de diodos láser acoplados a fibra, para su uso industrial en aplicaciones de impresión de alta velocidad y alta resolución (f-LDA) y de codificación de muy alta velocidad (HP f-LDA). En todos los casos, se controlan en tiempo real mediante el uso de una arquitectura de computación reconfigurable de alto rendimiento integrada basada en FPGAs. Como alternativa a la generación y procesamiento de múltiples haces láser en paralelo, también propongo proyectar imágenes formadas por microhaces láser sobre superficies. Estas imágenes se generan mediante tecnologías SLM o DLP. Para hacerlo de forma eficaz, las imágenes deben renderizarse correctamente para que coincidan con la resolución, la escala de grises y la anchura de impresión requeridas; y el sistema de control debe calcular esta información junto con la posición deseada de la imagen impresa y la velocidad del producto que debe imprimirse o marcarse, que puede adquirirse a partir de encoders y sensores industriales. Además, presento un novedoso método multi-haz para imprimir en papel y cartón sin tinta. El método se basa en la carbonización del papel mediante una combinación de láseres que trabajan en diferentes longitudes de onda. Se ha creado un sistema de prueba de concepto, basado en la combinación de sistemas comerciales existentes, para demostrar la viabilidad del método. Los resultados muestran que no se generan residuos y que la calidad de la marca es superior en términos de contraste y resolución a los métodos conocidos anteriormente. Las soluciones industrializadas presentadas en esta tesis, pueden imprimir imágenes desde 50 a más de 300 ppp de resolución en sustratos de impresión con anchos que van desde 570 µm hasta 100 mm, a velocidades de línea de producción de hasta 16 m/s. El análisis realizado sugiere que podrían alcanzarse velocidades aún mayores invirtiendo en haces láser adicionales, lo que daría lugar a toda una gama de nuevas aplicaciones en la Industria 4.0.
High performance embedded systems for digital laser marking and printing
Bravo Montero, F. (Autor/a). 17 ene 2022
Tesis doctoral