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Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Industrial Autor: Carlos Concheso Doria Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos Universidad de Zaragoza Ponente del proyecto: Dr. D. José Ignacio Peña Torre Doctor en Ciencias Departamento de Tecnología Corporativa BSH Electrodomésticos España S.A. Director del proyecto: Dr. D. Francisco Javier Ester Sola Doctor en Ciencias Codirector del proyecto: D. Manuel Gimeno Asín Ingeniero Industrial Zaragoza Abril de 2014 Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas Agradecimientos En primer lugar quiero agradecer a Miguel Ángel Buñuel la oportunidad de poder realizar este proyecto en BSH Electrodomésticos España, S.A. También quiero dar las gracias a mis directores de proyecto, José Ignacio Peña, Francisco Javier Ester y Manuel Gimeno, por su completa dedicación y asesoramiento. Igualmente agradezco a todos los miembros de RTI el compañerismo mostrado durante estos meses y todo lo que me ha enseñado cada uno de ellos. Asimismo quiero agradecer a mi familia la dedicación y apoyo que me han dado no solo durante este proyecto sino durante toda mi vida. Resumen “Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas” La tecnología del marcaje digital láser está siendo cada vez más desarrollada e implementada en la industria. Su uso anteriormente se restringía al marcaje de códigos de piezas cuya finalidad era únicamente la del seguimiento de los productos a lo largo de la línea de montaje, y no consistían por tanto en una parte estética para el cliente sino meramente funcional para los procesos industriales de fabricación. Con el desarrollo de esta tecnología el uso del láser se expande a campos nuevos como puede ser los productos alimenticios, donde las tintas tienen su uso restringido por motivos de salud; la joyería, y también el campo donde se trabajará en este proyecto: los electrodomésticos. En este proyecto se va a realizar un estudio enfocado a la implantación de la tecnología de marcaje digital láser en la cadena de producción de lavavajillas de BSH Lódz, Polonia. El alcance de este trabajo va a ser la realización de pruebas que permitan optimizar los parámetros de funcionamiento del láser adecuados para su uso. El marcaje conllevará la necesidad de una calidad suficiente, produciendo una serie de requerimientos técnicos y estéticos. Los requerimientos técnicos vendrán dados por las normativas internas de la propia compañía y los estéticos serán examinados por los diseñadores encargados de evaluar su calidad. El objetivo final es la sustitución de los métodos de tampografiado y serigrafiado de los frontales de los lavavajillas producidos en Lódz, por un proceso de marcaje láser más limpio, económico y flexible. En este trabajo nos centraremos esencialmente en los lavavajillas de la compañía y, de éstos, en la parte frontal del mismo, de acero inoxidable. El marcaje en acero inoxidable tiene múltiples usos como son la fabricación de redes de difracción por procesos de “engraving” en la superficie del material, la producción de marcas de agua o bajo contraste, muy usada en cubertería, por procesos de “anealing” en la superficie, o la producción de marcas de alto contraste, lo cual se consigue tanto con procesos de “anealing” como de “engraving” y tiene un valor puramente estético y cuyo uso es la reproducción de símbolos, letras, logos, imágenes, etc. Esta última aplicación es la que interesa para este proyecto ya que se pretende reproducir la simbología del frontal de todo lavavajillas producido en la fábrica. Es comprensible por tanto que los requerimientos estéticos sean críticos, ya que su incumplimiento supondría la incorrecta visualización de la decoración por parte del usuario. Se realizará un estudio posterior para comprender la fenomenología de este proceso de marcaje láser en acero inoxidable. Para tal fin se llevarán a cabo experimentos y mediciones para obtener una información más científica de los procesos internos del acero al ser tratado con láser. Finalmente, tras haber estudiado todas las posibilidades contempladas de marcaje láser en acero con los equipos disponibles se harán todos los ensayos pertinentes para asegurar el cumplimiento de los requisitos necesarios para que esta tecnología pueda ser implantada en la cadena de montaje de la fábrica de Lódz. PROYECTO FIN DE CARRERA Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas Índice de contenidos Capítulo 1. Introducción ____________________________________________________ 1 1.1 Comparativa de los métodos de impresión de decoración ______________________ 2 Capítulo 2. Planificación del proyecto _________________________________________ 5 2.1 Definición de los requerimientos __________________________________________ 5 2.1.1 Pruebas de calidad de la TCD ____________________________________________ 5 2.1.2 Evaluación de la calidad estética __________________________________________ 5 2.2 Análisis de la problemática del método _____________________________________ 7 2.2.1 Problemática de la resistencia a corrosión __________________________________ 7 2.2.2 Problemática de las líneas extensas _______________________________________ 7 2.3 Soluciones propuestas __________________________________________________ 8 2.3.1 Soluciones 1a y 1b: Fragmentación de la decoración _________________________ 8 2.3.2 Solución 2: Uso de un sistema óptico no estándar ___________________________ 10 Capítulo 3. Metodología de la experimentación ________________________________ 13 3.1 Soluciones 1a y 1b: Fragmentación de diseños extensos ______________________ 13 3.1.1 Recursos ___________________________________________________________ 13 3.1.2 Exploración de las variables ____________________________________________ 17 3.2 Solución 2: Uso de un sistema óptico no estándar ___________________________ 18 3.2.1 Recursos ___________________________________________________________ 19 3.2.2 Exploración de las variables ____________________________________________ 20 3.3 Evaluación de la calidad de las marcas ____________________________________ 22 3.3.1 Pruebas de calidad de la TCD ___________________________________________ 22 3.3.2 Selección de las pruebas más críticas de la TCD _____________________________ 25 3.3.3 Evaluación de la calidad estética _________________________________________ 27 3.3.4 Procedimiento de evaluación de las muestras ______________________________ 29 Capítulo 4. Resultados _____________________________________________________ 31 4.1 Resultados de la experimentación con el equipo TruMark Station 5020 __________ 31 4.2 Resultados de la experimentación con el equipo Rofin PowerLine E25 ___________ 36 4.3 Resultados científicos __________________________________________________ 39 4.3.1 Conclusiones relativas a las marcas ______________________________________ 39 4.3.2 Conclusiones relativas a la interacción láser-material ________________________ 40 Capítulo 5. Conclusiones ___________________________________________________ 43 5.1 Objetivos conseguidos _________________________________________________ 43 5.1.1 Resultados con el equipo TruMark 5020 ___________________________________ 43 5.1.2 Resultados con el equipo Rofin PowerLine E25 _____________________________ 43 5.1.3 Soluciones propuestas _________________________________________________ 44 5.2 Líneas futuras ________________________________________________________ 44 5.2.1 Implantación en la fábrica de Lódz _______________________________________ 44 5.2.2 Mejoras futuras para el marcaje láser en acero inoxidable 430 _________________ 44 Anexo A. Principios de la tecnología láser _______________________________________ 47 A.1 Definición y origen ______________________________________________________ 47 A.2 Principios fundamentales _________________________________________________ 47 A.3 Funcionamiento básico ___________________________________________________ 49 A.4 Caracterización del láser __________________________________________________ 51 A.4.1 Características haz láser ___________________________________________________ 51 A.4.2 Características de la emisión de la onda ______________________________________ 53 A.5 Tipos de láser industriales _________________________________________________ 54 Anexo B. Variables del marcaje láser___________________________________________ 57 Anexo C. Acero inoxidable ferrítico 430 ________________________________________ 61 C.1 Descripción ____________________________________________________________ 61 C.2 Problemas comunes del acero inoxidable 430 _________________________________ 62 Anexo D. Tecnologías de decoración tradicionales ________________________________ 65 D.1 Tampografía ___________________________________________________________ 65 D.1.1 Elementos del proceso ____________________________________________________ 65 D.1.2 Proceso de tampografiado _________________________________________________ 68 D.2 Serigrafía ______________________________________________________________ 68 D.2.1 Elementos del proceso ____________________________________________________ 69 D.2.2 Proceso de serigrafiado ___________________________________________________ 72 Anexo E. Resultados de la experimentación con el equipo TruMark 5020 _____________ 73 Anexo F. Tablas de estudios de correlación _____________________________________ 75 Índice de figuras ___________________________________________________________ 77 Índice de tablas ____________________________________________________________ 80 Índice de gráficas __________________________________________________________ 81 Bibliografía ______________________________________________________________ 82 Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas 6 En todo proceso de marcaje con láseres especiales para marcaje en metal se espera obtener una gama amplia de colores, incluyendo escalas de grises, por lo que no se tomó como factor limitante. Figura 2.1. Ejemplo de la gama de colores conseguido con el equipo TruMark 5020 Más adelante, en el apartado 3.3.1 Evaluación de la calidad estética, se explicará el proceso de selección de color. 2) La reproducción de la forma de los diseños: Al igual que las tecnologías tradicionales de impresión de iconos, la tecnología de marcaje láser es capaz de realizar diseños complejos, tanto finos como gruesos, tanto extensos como reducidos. Cuanto más pequeño el diámetro de su spot, más finos son los que símbolos es capaz de reproducir, pudiendo reproducirse líneas de hasta 100 micras de grosor en nuestro caso. En extensión y grosor no se encuentran límites en la tecnología de marcaje láser más que las propias dimensiones del campo de marcaje, siendo éste la superficie más extensa que se puede marcar con un sistema óptico determinado. Los diseños de la decoración de un frontal de lavavajillas se pueden clasificar esencialmente en tres tipos en función de su forma: a. Logos de la marca del electrodoméstico. b. Letras y símbolos pequeños y medianos. c. Diseños extensos y líneas. Figura 2.2. Líneas finas marcadas con láser miradas a través de una lupa calibrada Capítulo 2. Planificación del proyecto 7 2.2 Análisis de la problemática del método Una vez expuestos los objetivos por los que se ha trabajado en este proyecto se analizó la viabilidad y la problemática de cada uno de ellos. Tabla 2-1.Esquema de la dificultad esperada relativa a los requerimientos planteados 2.2.1 Problemática de la resistencia a corrosión Tal y como se ha planteado este proyecto se han centrado los esfuerzos en obtener unos parámetros de marcaje que generen marcas resistentes a la corrosión. En el capítulo siguiente se explica cómo se han escogido los ensayos más críticos de la TCD y se han elegido como criterios de evaluación de la resistencia a corrosión. 2.2.2 Problemática de las líneas extensas Respecto al criterio de reproducción de las formas existe un factor limitante que es la longitud de las líneas de la decoración de algunos frontales. La razón de tal limitación es que, mientras que las dimensiones habituales de los campos de marcaje con las que se trabaja en estos equipos es de entre 30mm x 30mm hasta los 300mm x 300mm mientras, existen en los diseños que se quieren marcan líneas de hasta 500 mm. Figura 2.3. Diseño del frontal de lavavajillas con la línea más extensa (500mm) y el campo de marcaje más grande disponible. Resistencia mecánica 1 Dado que las marcas producidas por el láser se componen del mismo material que el propio acero se espera que tengan similares propiedades físicas y que éste no sea un requerimiento limitante. Resistencia a la corrosión 0 El marcaje láser cambia las propiedades de la capa superficial del acero por lo que es posible que los compuestos generados sean más débiles y no resistan a corrosión. Reproducción del color negro 1 Se espera obtener una amplia gama de colores, entre los cuales el negro, por usarse equipos especificamente dedicados al marcaje. Reproducción de las formas 0 De entre las formas a reproducir existen diseños extensos que superan las dimensiones de los campos de marcaje estándares. Problemática Pruebas de la calidad de la TCD Pruebas de calidad estética Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas 8 En la actualidad el campo de marcaje no se toma como el área circular a la cual puede proyectarse el haz láser teniendo en cuenta los límites impuestos por el sistema óptico sino tan solo el cuadrado inscrito en esta (Figura 2.5) por razones de simplicidad de uso del software de marcaje. De esta manera una línea, un logo o cualquier otro símbolo que se marque deberá poder encuadrarse dentro del propio campo de marcaje. Por esta razón se entiende que las soluciones estándar de los proveedores de equipos de marcaje láser no satisfacen nuestros requerimientos, ya que no pueden reproducir la totalidad de la decoración a marcar. Las soluciones planteadas en la planificación de este proyecto han sido alternativas propuestas a los productos estándares que las compañías de marcaje láser ofrecen. 2.3 Soluciones propuestas Llegados a este punto y habiendo entendido los objetivos que se quieren alcanzar en este proyecto nos encontramos con que el requerimiento que necesita de una aproximación especial es el del campo de marcaje. Se necesitaba encontrar una forma de modificar el procedimiento estándar de marcaje, que sería el de la impresión de un conjunto de iconos dentro del campo de marcaje, para poder reproducir los diseños más extensos y las líneas más largas. Por tanto, cuando tratamos de reproducir líneas mayores que los campo de marcaje estándares se planteamos tres soluciones al respecto. 2.3.1 Soluciones 1a y 1b: Fragmentación de la decoración El problema de las dimensiones del campo de marcaje radica en la dificultad de fragmentar una decoración y reproducirla a tramos. Si la precisión de los elementos móviles de nuestro equipo fuera la suficiente como para asegurar que un diseño extenso se puede marcar en varias secciones, cada una tal que se pudiera encuadrar dentro de un campo de marcaje, no induciría en el marcaje dificultad Cabezal del láser Conjunto de lentes Haz láser Campo de marcaje Figura 2.4. Haz láser dirigido a los extremos del campo permitidos por el sistema óptico y al centro Figura 2.5. Cuadrado inscrito que supone el actual campo de marcaje de un equipo láser Capítulo 2. Planificación del proyecto 9 alguna. Teniendo sin embargo nuestros equipos de marcaje una precisión de 100 micras en el movimiento de las piezas, el problema surge en la fácil percepción de los errores cometidos. Figura 2.6. Ejemplo de varios errores presentes en el solapamiento de líneas A continuación se esquematiza gráficamente el método pensado para la fragmentación de los símbolos más extensos de la decoración: Figura 2.7. Esquema del procedimiento de fragmentación de la decoración. Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas 10 Se sugirieron por tanto dos opciones que se realizarían con un mismo equipo láser, pero con una integración de la superficie de trabajo diferente: a. Corte visible de los diseños extensos: Se provocaría un espacio en blanco visible entre ambos fragmentos, tomando el resultado no como un defecto sino como una característica. Figura 2.8. Corte inducido en la decoración de un frontal con línea extensa De esta forma, aunque uno de los fragmentos estuviera desfasado con respecto del otro este error no se podría percibir al no estar en contacto ambos lados. b. Solapamiento de los diseños extensos: Se aseguraría un mínimo espacio no reconocible por el ojo humano en el solapamiento de los diseños fragmentados. Esta solución requiere una precisión mayor que la que se disponía al principio del proyecto con los equipos disponibles. Figura 2.9. Solapamiento sin error apreciable de dos líneas Estas dos opciones conllevan la solución más sencilla de todas ya que la tecnología de marcaje láser está actualmente más desarrollada para campos de marcaje menores y no habría necesidad alguna de desarrollar una solución alternativa especial. 2.3.2 Solución 2: Uso de un sistema óptico no estándar El problema se soluciona de raíz si se usa una lente convergente que proporcione un campo de marcaje de mayores dimensiones que la más larga línea que existe en los diseños de los lavavajillas de la compañía. De esta manera en vez de usar soluciones que suponen tan solo parches se evita la aparición del problema desde la raíz. Figura 2.10. Uso de un campo de marcaje que cubra toda la decoración del frontal. Capítulo 2. Planificación del proyecto 11 Ésta supone nuestra primera opción ya que no se modifica ningún diseño ni implica ningún coste adicional al propio del equipo sin embargo al no tratarse de una solución que ofrezcan nuestros proveedores da lugar a mayores complicaciones. Tabla 2-2. Resumen de las soluciones planteadas en la fase inicial del proyecto En el capítulo siguiente se expondrá cómo se han enfocado estas 3 opciones y cuáles han sido los equipos utilizados para llevar a cabo las pruebas. Solución sugerida Procedimiento Consecuencia 1a. Corte visible de diseños extensos Dado que la superficie de trabajo normal produce unos errores visibles se efectúa un corte visible mayor como parte de la estética. Ningún coste económico añadido. Modificación de gran número de los diseños de los frontales. 0Baja 1b. Solapamiento de diseños extensos Se implementa una superficie de trabajo de precisión superior que solape los diseños de la decoración sin defecto aparente. Coste económico adicional. 1Media Láser 2 2. Uso de un sistema óptico no estándar Se adquiere un equipo con un sistema óptico especial con el que se pueda marcar en un solo paso todas las variantes de diseños. Necesidad de un proveedor que suministre un equipo con el sistema óptico especial requerido. 2Alta Láser 1 Preferencia Capítulo 3. Metodología de la experimentación 13 Capítulo 3. Metodología de la experimentación A continuación se explican y desarrollan los métodos utilizados en la experimentación con los equipos láser de marcaje en las tres opciones sugeridas. 3.1 Soluciones 1a y 1b: Fragmentación de diseños extensos Como se ha comentado en el capítulo anterior estas soluciones consisten en la fragmentación de los diseños más extensos presentes en la decoración de los frontales. El método radica en fragmentar la decoración del frontal y marcarla en varios pasos, moviendo la pieza y quedando inmóvil el campo de marcaje. A continuación se explicarán los recursos utilizados en el proyecto, el método de exploración de las variables de marcaje y la forma de evaluar los resultados obtenidos en dicha exploración. Se hará una distinción entre las soluciones 1a, Corte visible de los diseños extensos y 1b, Solapamiento de los diseños extensos, en la sección de superficie de trabajo ya que es a priori la única diferencia en el método. 3.1.1 Recursos Para situar al lector en la situación en la que se ha trabajado se introducen los utilizados para la consecución de estas soluciones. Equipo de marcaje En el departamento de RTI se dispuso desde el principio del proyecto de varios equipos de marcaje láser de varios medios activos y longitudes de onda: Tabla 3-1. Medios activos y longitudes de onda de los equipos láser disponibles al principio del proyecto Después de una breve experimentación en la que se pudo distinguir la mayor calidad estética de las marcas del láser de fibra con respecto del resto de los equipos y siguiendo el consejo de los fabricantes de los mismos se optó por llevar a cabo el marcaje con dicho equipo. Medio activo Fibra óptica dopada con Nd YAG (Y3Al5O12) dopado con Nd 355 nm 532 nm Longitud de onda emitida 1064 nm 1064 nm Figura 3.1. Marcaje de un frontal mediante fragmentación de los diseños Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas 14 El equipo en cuestión es un láser TruMark Station 5020 con las siguientes características: ¾ Categoría: láser de fibra pulsado bombeado con diodos ¾ Aplicaciones comunes: estructurado, preparación y pulido de superficies y marcaje ¾ Potencia media: 20W ¾ Longitud de onda: 1064 nm ¾ Calidad de haz M2: 2 ¾ Rango de frecuencias de trabajo: 1 kHz - 1000 kHz ¾ Configuración óptica elegida: lente de 254mm de foco ¾ Campo de marcaje: 180x180 mm2 ¾ Diámetro de spot: 105 μm Material base El material base en el cual se ha trabajado durante todo el proyecto ha sido el acero inoxidable utilizado en los frontales de lavavajillas de la fábrica de Lódz, Polonia. Las características de dicho acero son las siguientes: ¾ Aleación: acero ferrítico 430 ¾ Dimensiones: 0.5 mm de espesor (ancho y largo varían con los modelos de frontal) ¾ Gratado: BA (Bright Annealed) ¾ Proveedor: Tadinox En el Anexo D., se explica más detalladamente las características de este material Diseños Toda la experimentación realizada ha sido llevada a cabo teniendo en cuenta los diseños del conjunto de iconos del frontal del electrodoméstico. Dichos diseños vienen establecidos por los diseñadores del grupo y determinan la apariencia final del frontal. En nuestro caso nos han servido para tomar en cuenta las limitaciones de nuestro marcaje y obtener una idea de la apariencia final del frontal. Figura 3.3. Palet con las piezas de acero utilizadas Figura 3.2. Equipo láser TruMark Station 5020 Figura 3.4. Ejemplos de logos de los frontales de lavavajillas del grupo Capítulo 3. Metodología de la experimentación 15 Superficie de trabajo (específico para solución 1b) A la hora de resolver la solución 1b, Solapamiento de diseños extensos, planteada en el apartado 2.3.1 Soluciones 1a y 1b, se decidió realizar un breve estudio de la capacidad del ojo humano para reconocer defectos en el solapamiento de dos líneas. La solución 1a, Corte visible de diseños extensos, no necesita de este apartado adicional ya que con la precisión habitual de 100 micras de las superficies de trabajo estándares resulta suficiente para situar la decoración en su posición. La razón de dicho estudio radica en el procedimiento utilizado para solapar diseños en los láseres de marcaje. Las superficies de trabajo con las que habitualmente se trabaja en los láseres del departamento se desplazan en los dos ejes del plano horizontal de marcaje e inducen a un error del orden de las 100 micras que podrían producir un defecto visible en el solapamiento de las líneas. Para la preparación de este estudio se marcaron dos líneas solapadas, imponiendo un error en el eje X e Y del campo de marcaje, desde 1 μm hasta 1000 μm. Estos errores entre las marcas se realizaron imponiéndolos desde el archivo de marcas del software, directamente relacionado con el movimiento de los espejos galvanométricos del cabezal, y no con el movimiento de la superficie de trabajo. Con dichos espejos se puede alcanzar una precisión de en torno a 1 μm para una configuración óptica estándar por lo que el propio error de los espejos no influyó de manera significativa en los errores o desfases de por sí impuestos. De esta manera se realizó la probeta de encuesta, con errores en los 2 ejes del plano y se evaluó a una distancia de 30 cm a una iluminancia de 700±100 lux en posición frontal a la muestra. Se tomaron estas condiciones de evaluación por ser las utilizadas en el departamento de lavavajillas para evaluar los defectos de las piezas decoradas. Figura 3.6. Probeta de errores en los dos ejes del campo de marcaje. Rango de 1-10, 10-100 y 100-1000 micras. Cabezal de espejos galvanométricos Cuerpo de producción del haz Figura 3.5. Partes diferenciadas de la óptica de un equipo láser Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas 22 3.3 Evaluación de la calidad de las marcas Tal y como se explica en el capítulo 2 de esta memoria, Requerimientos del proceso, al principio del proyecto se definieron una serie de ensayos y evaluaciones a realizar sobre las marcas obtenidas de tal manera que se asegurara la calidad requerida para el proceso final de marcaje. Todos los ensayos que se exponen a continuación han sido llevados a cabo para las muestras marcadas con ambos equipos láser. 3.3.1 Pruebas de calidad de la TCD Como ensayos de vida acelerada se propone desde la sección de lavavajillas una serie de pruebas o ensayos que simulen el entorno en el que se va a ver sometido la pieza del frontal del lavavajillas. Al conjunto de estos ensayos se le da el nombre de TCD (Technical Checking Directive). Tales ensayos consisten en varias pruebas de diferente carácter: 1) Resistencia al ataque de disolvente: la muestra se somete a un ensayo de 1000 ciclos de abrasión con un paño mojado en isopropanol con una presión al menos 1 kPa. En este caso se utiliza un abrasímetro lineal como el de la Figura 3.11. Si no se aprecian cambios en la imagen del resultado tras la prueba éste se puede tomar como válido. Figura 3.12 Abrasímetro lineal utilizado 2) Resistencia al ataque de productos de limpieza: la muestra se somete a un ensayo de 48 horas en contacto con una pequeña cantidad de producto de limpieza bajo un vidrio de reloj. Esta forma de realiza el ensayo asegura que los productos de limpieza no se evaporarán con el paso de las horas. A continuación se expone la lista de los productos de limpieza a los que se ensayaron las muestras: ¾ Don Limpio brisa marina ¾ Sidolin sin rayas al limón, marca Henkel ¾ Sidol, marca Henkel ¾ Limpiador de suelos, marca General ¾ Detergente para lavavajillas, marca Henkel ¾ Abrillantador, marca Calgonit ¾ Abrillantador, marca Somat ¾ Agente de limpieza basado en vinagre, marca Frosch ¾ Agente de limpieza basado en limón, marca Frosch ¾ Solución buffer (solución amortiguadora) Capítulo 3. Metodología de la experimentación 23 Figura 3.14. Probetas falcon con los productos de limpieza, y bebidas de los puntos 2) y 3) de la TCD 3) Resistencia al ataque de manchas de comida y bebida: la muestra se somete a un ensayo de 48 horas en contacto con una pequeña cantidad de comida o bebida bajo un vidrio de reloj de igual manera que con los productos de limpieza (Figura 3.12). Este ensayo simula el efecto que tienen sobre la decoración los posibles restos de alimentos que se depositen en el frontal del electrodoméstico. A continuación se expone la lista de los productos a los que se sometieron las muestras: ¾ Vino tinto ¾ Zumo de grosella ¾ Zumo de remolacha ¾ Papilla de patata ¾ Mantequilla ¾ Brandy ¾ Ácido cítrico al 10% ¾ Pulpa de cebolla ¾ Agua saturada de sal de cocina ¾ Aceite de cocina vegetal ¾ Grasa de cerdo ¾ Mostaza ¾ Coca-Cola ¾ Cerveza ¾ Agua 4) Resistencia al vapor: este ensayo simula de una forma acelerada el fenómeno que se da cuando se abre la puerta de un lavavajillas tras el fin de un programa. La salida del vapor desde el interior del electrodoméstico se simula en este ensayo con una cámara de vapor. Las muestras se someten en dicha cámara a la presencia de una atmósfera saturada en agua a 80ºC durante 5 horas. Figura 3.15. Cámara de vapor de la sección de lavavajillas Producto Marca Cristal de protección Figura 3.13. Esquema del procedimiento de ensayo Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas 24 La forma de evaluar los resultados de las anteriores pruebas (a, b, c y d) consiste en la inspección visual de las muestras ensayadas. El criterio para considerar un resultado como satisfactorio consiste en no apreciar cambios o ser éstos poco significativos. En caso de duda se postula el criterio de ȟܧ ൑ͳ siendo ȟܧ ൌͳ el mínimo cambio de color apreciable por el ojo humano. 5) Test de arañados y adhesión: la finalidad de este ensayo consiste en comprobar si la decoración marcada resiste arañazos y otras solicitaciones similares y simular el estrés o los impactos a los que se va a someter la pieza y su decoración en su uso habitual. Consiste en dos partes: i. Corte: la muestra se somete a dos cortes continuados perpendiculares mediante una cuchilla de cinco dientes de acero que provocan surcos paralelos en la decoración. ii. Adhesión: El ensayo se realiza fijando una cinta adhesiva sobre la superficie a ensayar y retirándola a continuación. Se debe utilizar una cinta adhesiva con una fuerza adhesiva de entre 6 N y 10 N por cada 25 mm de anchura. En este caso se empleó una cinta adhesiva Tesafilm® 4104 PVC transparente con especificación 2.5 N/cm, que son exactamente 6,25 N/25 mm. Figura 3.16. Cinta adhesiva Tesafilm® 4104 PVC transparente Esta segunda parte del ensayo tiene especial significado en decoraciones de tinta, ya que la adhesión es un factor crítico. En nuestro caso, al ser la misma superficie del metal la que se transforma en decoración la adhesión es perfecta. La forma de evaluar el resultado de esta prueba consiste en una inspección visual y la comparación del estado de las muestras con unos patrones establecidos (Figura 3.16). De esta forma se refleja cuanta superficie de la decoración ha sido levantada en la segunda parte del ensayo. Únicamente si la muestra sufre daños que se puedan incluir en los niveles 0 y 1 será considerado el resultado como apto. Capítulo 3. Metodología de la experimentación 25 Figura 3.17. Calificación de los resultados del ensayo de adhesión De todos los ensayos descritos en esta sección de Pruebas de calidad de la TCD se seleccionaron en la fase de planificación del proyecto aquellos que pudieran ser más dañinos para nuestras marcas, de manera que se pudieran considerar como los más críticos y basar nuestra experimentación en la superación de estos ensayos. 3.3.2 Selección de las pruebas más críticas de la TCD Considerándose que las formas más típicas de fallo del acero inoxidable son la corrosión y las solicitaciones mecánicas y que la pieza está diseñada para no tener que soportar cargas mecánicas se estudió tan solo la posibilidad del fallo a corrosión. A continuación se explican las formas de corrosión que serían más acusadas en nuestro metal marcado con láser. Las formas más típicas de corrosión del acero inoxidable [2] son: 1. Corrosión General: Este tipo de corrosión produce un desgaste homogéneo de la superficie de la pieza. Este tipo de corrosión solo sucede cuando un ácido fuerte entra en contacto con la superficie del acero. Considerando que algunos de los productos con los que se ensayan las muestras son ácidos se consideró que posiblemente nos encontraríamos con este tipo de corrosión. 2. Picaduras: El caso de las picaduras se da bajo ciertas condiciones, particularmente en medios con alta concentración de cloruros (como el cloruro sódico del agua del mar), con moderadas temperaturas y acentuado por un pH bajo. Se trata de un tipo de corrosión muy localizada y puede provocar perforaciones en las piezas de acero. El número PRE (Pitting Resistance Equivalent number) proporciona una indicación acerca de la resistencia a las picaduras de un determinado acero. Valores por encima de 32 significan una buena resistencia al agua del mar. Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas 26 Considerando la composición de nuestro acero inoxidable 430 (Anexo C. Propiedades del acero Inoxidable 430) el PRE equivalente obtenido es de entre 16 y 18 se esperó que éste fuera un posible modo de corrosión en nuestro acero. ൌͳΨ൅͵Ǥ͵Ψ൅ͳ͸Ψൌͳ൉Ψܥݎ൅͵Ǥ͵൉Ͳ൅ͳ͸൉ͲൌΨܥݎൌ ሾͳ͸ǡͳͺሿ 3. Corrosión Intergranular: La corrosión intergranular es un tipo de corrosión relativamente rápida y localizada asociada a una microestructura defectuosa conocida como los precipitados de carburos. Cuando los aceros ferríticos se exponen durante un cierto tiempo a temperaturas superiores a los 900⁰C, o cuando el acero ha sido calentado a temperaturas mayores y se le ha dejado enfriar a ese rango de temperaturas a un ritmo relativamente bajo, como ocurre en las soldaduras o en el enfriamiento en el aire tras un annealing, el cromo y el carbono del acero se combinan formando precipitados de carburos de cromo en las fronteras de grano. La formación de estos carburos merma la concentración de cromo de los granos adyacentes, reduciendo su resistencia a la corrosión, propiciando la corrosión del acero en las fronteras de grano. A los aceros en estas condiciones se les llama sensibilizados. Dado que es precisamente annealing lo que provocamos en la superficie del acero, se consideró que era probable sufrir este tipo de defecto en nuestras muestras. 4. Erosión – corrosión: Los efectos combinados de la corrosión y la erosión se potencian cuando la velocidad del fluido erosivo es elevada y cuando se produce un desgaste de la superficie debido a la abrasión de las partículas suspendidas en el medio. Siendo que nuestra pieza no se encontrará en contacto con medios fluidos erosivos a altas velocidades se consideró que los efectos de este tipo de corrosión serían despreciables. 5. Corrosión por fatiga: Bajo el efecto combinado de tensión y ciertos ambientes corrosivos el acero inoxidable puede sufrir este tipo de corrosión muy rápida y severamente. Para el presente caso no se ha dado el efecto combinado de tensión y corrosión por lo que no se consideró como un modo posible de corrosión en nuestras muestras. 6. Corrosión por temperatura: Con el aumento de la temperatura, la contribución del efecto de los cloruros aumenta mientras que el efecto del hidrógeno disminuye debido al aumento de movilidad en la matriz ferrítica. El efecto neto resultante es el más agresivo en el rango de temperaturas de entre 60-100°C. Dado que en los ensayos las muestras debían ser ensayadas en este rango de temperaturas se determinó que el efecto sería significativo. 7. Corrosión fisurante (crevice): Este tipo de corrosión es muy parecida a la corrosión por picadura. En este caso el agente corrosivo debe encontrarse en una fisura o rendija en la que producirá la corrosión, por lo que ésta debe ser lo suficientemente ancha para permitir la entrada del agente y lo suficientemente estrecha para asegurar que el agente corrosivo permanece estancado. Dado que este tipo de corrosión sucede esencialmente en grietas pequeñas y en nuestra pieza no se consideró la posibilidad de tener este tipo de defecto se consideró que no sería relevante, aunque por su naturaleza similar a las picaduras pueda darse en el material. Capítulo 3. Metodología de la experimentación 27 Conociendo ya las formas de corrosión más típicas del acero inoxidable se evaluó la naturaleza de los diferentes ensayos descritos en el apartado 3.3.1 Pruebas de calidad de la TCD, y se concluyó que los ensayos más críticos serían: ¾ Test de vapor: Corrosión por temperatura ¾ Resistencia al ataque de gota saturada en sal: Corrosión por picadura ¾ Resistencia al ataque de ácido cítrico al 10%: Corrosión general por pH 1.4 ¾ Resistencia a agente limpiador basado en vinagre: Corrosión general por pH 1.8 Se incluyeron dos productos ácidos en vez de uno representativo por apreciarse que tenían comportamientos diferentes en las marcas, siendo con algunas más agresivo el ácido cítrico y con otras más el acético. 3.3.3 Evaluación de la calidad estética Consideramos en este bloque que nuestro objetivo estético es provocar una marca lo más similar posible a la provocada con los métodos de serigrafiado y tampografiado. De esta manera definimos 3 aspectos diferentes de la calidad estética que evaluamos en cada una de las marcas realizadas: a) La intensidad del color: con la ayuda de un colorímetro se han analizado las muestras obtenidas en coordenadas Lab (espacio CIELAB). Considerando que cuanto menor la coordenada L, más oscuro se torna un color, se ha considerado un objetivo de obtener la menor coordenada L posible. Figura 3.18. Esfera de color CIELAB Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas 28 Para dar una idea al lector de los colores obtenidos en la experimentación mostramos en la Figura 3.18 tres ejemplos de color en coordenadas Lab, con 4 valores L diferentes: Para la selección de las marcas realizadas por el láser se tomó un umbral de 25 en la coordenada L, considerándose el mínimo contraste que se puede tolerar en la decoración. Este valor fue acordado con los diseñadores del grupo y se estima que aunque es un contraste inferior al de la serigrafía es aun así satisfactorio. Las coordenadas a y b no se han registrado por ser siempre cercanas al 0, considerándose que el color de las muestras evaluadas se encuentra en la escala de grises. b) La homogeneidad del color: se ha buscado a lo largo del proyecto que las marcas realizadas tengan siempre un color homogéneo, que no varíe con el ángulo desde el que se miren ni con el grosor de los diseños marcados. Se definió por tanto una calificación de la homogeneidad del color igual al número de colores diferentes identificables en una marca, buscándose siempre que esa calificación fuera la menor posible. c) Los reflejos: una decoración por serigrafía se considera en nuestro caso el ejemplo de una decoración mate. Definimos por tanto una calificación de los reflejos tal que sea igual al número de reflejos metálicos detectados en la muestra al observarla desde 0º, 20º, 40º, 60º y 80º con unas condiciones lumínicas de 700±100 lux de iluminación superior a 30 cm del ojo humano. Figura 3.19. Ejemplos de colores con a=0, b=0 y L= 0, 5, 10, 15, 20, 25 y 30. Figura 3.20 Ejemplo de marca con numerosos reflejos metálicos Figura 3.21. Ejemplo de marca con escasos reflejos metálicos Capítulo 3. Metodología de la experimentación 29 3.3.4 Procedimiento de evaluación de las muestras Tras considerar la dificultad de cada evaluación y el tiempo que cada una consumiría se eligió el siguiente orden para la consecución de los ensayos: 1) Evaluación de calidad estética: a. Descarte visual: De todas las marcas inicialmente obtenidas se seleccionaron únicamente las visualmente similares a una decoración por serigrafía, mate y oscura. b. Evaluación de color: De todos los resultados obtenidos solo se seleccionaron para los ensayos del bloque 2 de pruebas de calidad aquellos que cumplieron las siguientes condiciones: i. Calificación 0 en reflejos, calificación 2 o 3 en homogeneidad y coordenada L menor que 25. ii. Calificación 0 o 1 en reflejos, calificación 2 en homogeneidad y coordenada L menor que 25. 2) Pruebas de calidad de la TCD: a. Ensayos críticos de resistencia a la corrosión: i. Test de vapor ii. Resistencia al ataque de gota saturada en sal iii. Resistencia al ataque de ácido cítrico al 10% iv. Resistencia a agente limpiador basado en vinagre b. Resto de ensayos de la TCD El orden seguido obedece una cuestión de eficiencia en el método de evaluación de la calidad. La evaluación de la calidad estética supone un tiempo de ensayo de aproximadamente 1 minuto para cada muestra mientras que cada ensayo de la TCD dura de entre 1 y 48 horas para cada muestra. El bloque 1, Evaluación de la calidad estética, supone un descarte de la mayoría de las marcas obtenidas. Una inspección visual permite la elección de las marcas de mejor apariencia al ojo humano y un análisis del color permite la selección de las más oscuras. El bloque 2 supone un segundo descarte con las pruebas más críticas de nuestra TCD y una comprobación con el resto de las pruebas de la TCD En la Figura 3.21 se esquematiza el orden de los ensayos, mostrando el estado del que se parte y la acción que se lleva a cabo en cada uno de los pasos. Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas 30 Figura 3.22. Procedimiento de la evaluación de las muestras Inicio: Descarte visual •Estado: experimentación realizada con las 4 variables. •Acción: 1a. Descarte visual. Evaluación de color •Estado: parámetros seleccionados con evaluación visual. •Acción: 1b. Evaluación de color Ensayos críticos •Estado: parámetros visualmente óptimos. •Acción: 2a. Ensayos críticos. TCD •Estado: Parámetros óptimos. •Acción: 2b. Ensayos totales de TCD. Resultado •Resultado: todos los ensayos pasan --> Resultado satisfactorio. •Resultado: alguno de los ensayos falla --> Resultado insatisfactorio. Capítulo 4. Resultados 31 Capítulo 4. Resultados En este capítulo se mostrarán los resultados obtenidos al efectuar todos los ensayos explicados en el capítulo anterior. Se separarán los resultados por equipo utilizado para mayor sencillez de la exposición de datos. Por tanto: ¾ El equipo TruMark 5020 corresponderá a las soluciones 1a y 1b, Fragmentación de diseños extensos. ¾ El equipo Rofin PowerLine E25 corresponderá a la solución 2, Uso de un sistema óptico no estándar. 4.1 Resultados de la experimentación con el equipo TruMark Station 5020 Tras haberse realizado el barrido planeado de las 4 variables principales con el láser de fibra TruMark Station 5020 se muestra a continuación, a través de todo el proceso de la experimentación y evaluación, los datos obtenidos en cada etapa. Tras la experimentación se obtuvo el siguiente volumen de marcas: De todas las marcas realizadas se seleccionaron como visualmente buenas las siguientes: ¾ 175.600.40.2 ¾ 175.500.40.2 ¾ 175.700.40.2 ¾ 175.700.60.2 ¾ 175.800.50.2 ¾ 200.500.60.2 ¾ 175.500.70.2 ¾ 225.600.50.2 ¾ 200.800.50.2 ¾ 200.1000.40.2 ¾ 225.800.40.2 ¾ 225.700.50.2 ¾ 225.600.60.2 ¾ 200.500.30.1 ¾ 225.900.40.2 ¾ 225.800.50.2 ¾ 225.700.60.2 ¾ 225.600.70.2 ¾ 225.1000.40.2 ¾ 225.700.70.2 ¾ 250.600.50.2 ¾ 250.700.50.2 ¾ 250.600.60.2 ¾ 250.700.60.2 ¾ 250.900.40.2 ¾ 250.800.50.2 ¾ 250.1000.40.2 ¾ 250.800.60.2 ¾ 22 Velocidades diferentes ¾ 10 Frecuencias diferentes ¾ 10 interlineados diferentes ¾ 3 Repeticiones 6600 marcas diferentes Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas 38 Fueron seleccionadas para las siguientes pruebas todas aquellas marcas que cumplieron lo siguiente: 1. Calificación 0 en reflejos, calificación 2 o 3 en homogeneidad y coordenada L menor que 25. 2. Calificación 0 o 1 en reflejos, calificación 2 en homogeneidad y coordenada L menor que 25. Pruebas críticas realizadas en los parámetros seleccionados: Tabla 4-5. Pruebas críticas de la TCD realizadas a los parámetros seleccionados en el bloque de evaluación estética Llegado a este punto de la evaluación de la calidad de las marcas realizadas con el equipo Rofin PowerLine E25 se decidió no seguir adelante debido no se consiguió superar las pruebas con agentes ácidos. Parametros Coord L Homogeneidad Reflejos Test vapor Test gota salada Ácido cítrico 10% Agente pH 1,8 75.500.72.2 16,1 2 1 NOK NOK NOK NOK 65.600.60.2 18,2 2 1 OK NOK NOK NOK 60.650.42.2 19 2 1 NOK NOK NOK NOK 65.650.50.2 19 2 1 NOK OK NOK NOK 66.380.120.3 19,1 2 1 OK OK NOK NOK 66.650.60.3 19,7 2 1 NOK NOK NOK NOK 77.350.100.2 19,7 2 1 OK OK NOK NOK 65.380.50.1 20,4 2 0 NOK NOK NOK NOK 66.420.120.3 21,6 2 1 OK OK NOK NOK 75.450.50.1 22,6 3 0 NOK NOK NOK NOK 86.790.50.3 22,8 2 1 OK NOK NOK NOK 85.460.42.1 23,55 2 0 NOK NOK NOK NOK 70.850.42.2 23,74 2 1 OK NOK NOK NOK 65.420.86.2 23,8 2 1 OK OK NOK NOK 60.260.86.1 23,9 2 1 NOK NOK NOK NOK 66.320.120.2 23,9 2 0 NOK NOK NOK NOK 65.350.60.1 24,5 2 1 OK OK NOK NOK 72.220.86.1 24,6 2 0 OK NOK NOK NOK Capítulo 4. Resultados 39 Dado que no se pudo asegurar la calidad de las marcas desde el punto de vista de resistencia a la corrosión se tomó por insatisfactorio y se abandonó la experimentación con este equipo. Por tanto, la 2ª solución propuesta en el capítulo 2 de esta memoria, “Uso de un sistema óptico no estándar”, no podrá ser realizada. 4.3 Resultados científicos En este apartado se explican las conclusiones a las que se ha llegado acerca de la naturaleza de las marcas realizadas y la interacción entre la radiación láser y el material tratado. 4.3.1 Conclusiones relativas a las marcas En el apartado 3.3.2 Selección de las pruebas más críticas de la TCD, se evaluaron las formas más típicas de corrosión en los aceros inoxidables. En este apartado resumimos los efectos observados en las marcas al ser ensayadas debido a las formas de corrosión citadas: 1) Corrosión general: a. Causa: Ataques de ácidos que causan un desgaste generalizado. b. Observación: Los productos basados en ácidos acéticos o cítricos atacaron de forma agresiva y uniforme a la marca, aunque no de una manera perceptible al material base. Los resultados han sido en múltiples casos la desaparición casi completa de la marca, dejando tan solo un brillo metálico. Figura 4.2. Ejemplo de la desaparición de una marca en la zona afectada por el medio ácido 2) Picaduras: a. Causa: Ataque local concentrado de iones cloruro presentes en agua salada. b. Observación: La prueba de gota de agua saturada en sal resulta muy agresiva para la mayoría de las marcas, unas veces provocando puntos de corrosión concentrados, picaduras, y otras eliminando la marca, reduciendo notablemente su contraste. Figura 4.3. Ejemplo de marca afectada por picaduras tras test de gota salada Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas 40 3) Corrosión Intergranular: a. Causa: Debilitamiento de las fronteras de grano causada por la formación de precipitados al calentarse el acero a temperaturas de 900⁰C. b. Observación: se constata para todos los ensayos que las marcas realizadas resultan más débiles que el sustrato base, en relación a la resistencia a corrosión. Una de las causas por las que se cree que este hecho podría darse sería por la formación de precipitados intergranulares, aunque por falta de datos analíticos no se puede afirmar con rotundidad. 4) Corrosión por temperatura a. Causa: Efecto combinado de la debilitación por penetración de H2 y el ataque de cloruros en el rango de entre los 60-100⁰C. b. Observación: El test realizado con vapor a 80⁰C produce en muchos casos una corrosión en forma de picaduras. Se relaciona por tanto a la mayor debilidad del acero en el rango de 60-100⁰C. Figura 4.4 Ejemplo de corrosión de marcas tras test de vapor 4.3.2 Conclusiones relativas a la interacción láser-material Tras la obtención de todos los resultados de calidad estética de las marcas realizadas con ambos equipos se pretendió utilizar dichos datos para extraer relaciones entre variables internas del láser y resultados medibles. Como resultado seleccionado para evaluar su relación con otras variables se tomó la coordenada L de las marcas seleccionadas en la primera selección visual, de manera que los análisis han sido realizados considerando tan solo las marcas visualmente similares a la serigrafía. Como variables de marcaje láser se quiso trabajar con variables más globales, que evaluasen el marcaje en su conjunto, y no solo a tramos, como habría sido evaluar la dependencia con respecto de la velocidad, la frecuencia o el tiempo de pulso. En el Anexo F. Tablas de estudios de correlación, se muestran los datos de las diferentes variables estudiadas. Capítulo 4. Resultados 41 Densidad de Energía Se definió para tal fin la variable densidad de energía depositada como representativa del total de energía depositada por unidad de área. Esta variable contabiliza la energía total proyectada al material multiplicando el número de impulsos por unidad de área por la energía de cada pulso: ܦ݁݊ݏ݅݀ܽ݀݀݁ܧ݊݁ݎ݃Àܽൌܰï݉݁ݎ݋݀݁݅݉݌ݑ݈ݏ݋ݏ ܿ݉ଶ൉ܧ݊݁ݎ݃Àܽ݀݁݌ݑ݈ݏ݋ൌܨ൉ܰ ܸ൉ܪ൉ܧ௣ Gráfica 4.1 Representación de la dependencia de la coordenada L de color con respecto de la densidad de energía Tabla 4-6. Media y desviación típica de los valores de la densidad de energía para ambos equipos Si bien para los valores de la densidad e energía obtenidos con el equipo Rofin no se puede deducir ninguna tendencia clara, para los valores obtenidos con el equipo TruMark se aprecia una tendencia decreciente de la coordenada L con el aumento de la densidad de energía. Esta tendencia se ve pronunciada por dos datos anómalos de densidad de energía especialmente alta que no constituyen una población suficientemente elevada de densidad de energía alta como para afirmar que tal tendencia se extiende hasta ese rango. Sin embargo aun sin este par de datos, la tendencia descendiente se sigue observando. Adicionalmente, es importante constatar que incluso trabajando a diferentes frecuencias, y tiempos de pulso, la media y desviación típica de los datos obtenidos de densidad de energía son muy similares, aun cuando el equipo de Rofin no logra un decremento de la coordenada L con el incremento de la densidad de energía. Este hecho induce a pensar que, como era de esperar, existe una cierta similitud entre el marcaje con uno y otro equipo, ya que, al fin y al cabo, emiten en la misma longitud de onda, aunque con tiempos de pulso y diámetro de spot diferente. R² = 0,7803 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0,0E+00 5,0E+01 1,0E+02 1,5E+02 2,0E+02 2,5E+02 Coord L Densidad de Energía (J/cm2) Coordenada L vs Densidad de Energía Resultados Rofin Resultados Trumpf Trumpf Rofin Media 114.3 119.1 Desviación estándar 25.29 24.42 Densidad de Energía (J/cm 2 ) Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas 42 Densidad de Irradiancia Se definió también una variable que diese una idea acerca de la densidad de potencia de cada pulso aplicada en un área marcada. Sin embargo para poder comparar los dos equipos láser entre sí, se dividió lo anterior por el área de un spot. A la variable resultante se le llamó densidad de irradiancia, por ser precisamente el valor de la irradiancia en un spot, multiplicado por la densidad de spots en un área: ܦ݁݊ݏ݅݀ܽ݀݀݁ܫݎݎܽ݀݅ܽ݊ܿ݅ܽൌܲ݋ݐ݁݊ܿ݅ܽ݀݁݌ݑ݈ݏ݋ ݎ݁ܽ݀݁ݑ݊ݏ݌݋ݐ ൉ܰï݉݁ݎ݋݀݁݅݉݌ݑ݈ݏ݋ݏ ܿ݉ଶൌܧ௣ݐ௣ Τ ߨ൉൬݀௦௣௢௧ ʹ൰ଶܨ൉ܰ ܸ൉ܪ Gráfica 4.2 Representación de la dependencia de la coordenada L de color con respecto de la densidad de irradiancia Tabla 4-7 Medi y desviación típica de los valores de la densidad de irradiancia para ambos equipos Se observa de nuevo en el caso de la densidad de irradiancia que, a pesar de no existir una tendencia en absoluto clara de la coordenada L con respecto de la densidad de irradiancia, los datos de ambos equipos láser son casi coincidentes en su media, aunque el equipo Rofin PowerLine E25 sufre mayor dispersión que el equipo TruMark 5020. Al igual que en el caso de la densidad de energía se aprecia cómo, los dos equipos, en el mismo rango de densidad de energía o de irradiancia producen resultados asimilares, provocando además el equipo TruMark 5020 marcas de mayor contraste. Cabe resaltar que ninguna de las demás variables estudiadas (Anexo F. Tablas de estudios de correlación) induce a una tendencia observable de R2 mayor a 0.4 ni se equiparan entre los dos equipos láser. Con los datos obtenidos en esta sección podemos afirmar que, en formas similares de deposición de la energía en el espacio y en el tiempo, el láser TruMark 5020 está mejor diseñado para un marcaje contrastado en el acero inoxidable 430 de nuestro caso. 0 10 20 30 40 50 0,00E+00 5,00E+13 1,00E+14 Coord L Densidad de irradiancia (W/cm 4 ) Coordenada L vs Densidad de Irradiancia Resultados Rofin Resultados Trumpf Trumpf Rofin Media 4.82E+13 4.73E+13 Desviación estándar 9.07E+12 1.24E+13 Densidad de Irradiancia (W/cm4) Capítulo 5. Conclusiones 43 Capítulo 5. Conclusiones Se resumen en este capítulo una serie de conclusiones acerca de los objetivos cumplidos tras el proyecto y de la experimentación del marcaje láser en el acero inoxidable 430. También se sugieren unas posibles actuaciones futuras para mejorar los resultados finales de la aplicación. 5.1 Objetivos conseguidos Tras la experimentación con los dos equipos utilizados, TruMark 5020 y Rofin PowerLine E25, se resumen a continuación los resultados obtenidos con ambos: 5.1.1 Resultados con el equipo TruMark 5020 Con el equipo TruMark 5020, láser pulsado de fibra de 20W, de radiación infrarroja cercana (λ=1064 nm) y tamaño de spot de 105 μm, se consiguieron los siguientes resultados: 1) Respecto a la calidad estética: Fueron seleccionados inicialmente 22 parámetros que cumplieron las especificaciones de intensidad de homogeneidad, reflejos e intensidad de color. 2) Respecto a la calidad de la TCD: De los 22 parámetros inicialmente seleccionados, finalmente 2 de ellos se designaron como los apropiados para realizar marcas realizadas que superaran todas las pruebas de la TCD. Resumimos estos dos parámetros óptimos que pasaron todas las pruebas de calidad en la tabla 5-1. Tabla 5-1. Resumen de resultados de los parámetros óptimos hallados. 5.1.2 Resultados con el equipo Rofin PowerLine E25 Con el equipo Rofin PowerLine E25, láser pulsado de vanadato de 25W, de radiación infrarroja cercana (λ=1064 nm) y tamaño de spot de 115 μm, se consiguieron los siguientes resultados: 1) Respecto a la calidad estética: Fueron seleccionados inicialmente 18 parámetros que cumplieron las especificaciones de intensidad de homogeneidad, reflejos e intensidad de color. 2) Respecto a la calidad de la TCD: De los 18 parámetros inicialmente seleccionados, ninguno superó todas las pruebas de la TCD, siendo gravemente afectados por las pruebas críticas. Se deduce, por tanto que con el equipo Rofin PowerLine E25 no se pudo obtener los parámetros adecuados que superaran las pruebas de calidad, por lo que se descartó para su uso en la aplicación. Frecuencia Velocidad Interlineado Repeticiones Coordenada L Homogeneidad Reflejos TCD Parámetro 1 225 kHz 600 mm/s 60 μm2 16,4 2 1 Aprobada Parámetro 2 250 kHz 700 mm/s 60 μm2 22,7 2 1 Aprobada Parámetros utilizados Resultados obtenidos Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas 44 5.1.3 Soluciones propuestas Dado que ha sido con el equipo TruMark 5020 el único equipo con el que se ha conseguido resultados positivos se deduce que las dos opciones sugeridas en el apartado 2.3 Soluciones propuestas, podrán ser llevadas a cabo para lograr la reproducción de los diseños más extensos de los lavavajillas: a) Corte visible de la decoración: Se provocaría un espacio en blanco visible entre fragmentos de diseños extensos, tomando el resultado no como un defecto sino como una característica. b) Solapamiento de los diseños extensos: Se aseguraría un mínimo espacio no reconocible por el ojo humano en el solapamiento de los diseños extensos fragmentados. La decisión de la ejecución de una u otra solución queda en manos de los dirigentes de la fábrica de Lódz, Polonia, para la cual se inició esta aplicación. 5.2 Líneas futuras Como actuaciones futuras se contemplan dos niveles diferentes: la actuación de la fábrica de Lódz en relación al marcaje en acero inoxidable investigado en este proyecto y los posibles estudios y mejoras que podrían implementarse para perfeccionar esta aplicación. 5.2.1 Implantación en la fábrica de Lódz Dada por terminada mi tarea con respecto a esta aplicación las actuaciones futuras en relación a la implantación industrial del marcaje láser en acero inoxidable 430 serán responsabilidad de la dirección de la sección de Lavavajillas y la de la fábrica de Lódz, Polonia. Se espera que se sigan los siguientes pasos: 1) Aprobación por parte de los diseñadores de la calidad estética de las marcas. 2) Aprobación por parte del laboratorio de lavavajillas de las pruebas de la TCD de la pieza, ya que las realizadas en el departamento de RTI tienen tan solo carácter investigador. 3) Toma de decisión sobre la integración a superficie de trabajo precisa para evitar errores en la fragmentación de diseños extensos. 4) Puesta a punto de la instalación y de la integración y comienzo de la producción. 5.2.2 Mejoras futuras para el marcaje láser en acero inoxidable 430 Observando los resultados de este proyecto se puede deducir que los parámetros óptimos logrados con el equipo TruMark 5020 son las más resistentes a la corrosión pero no poseen las que mejores cualidades estéticas. Tal y como se muestra en la tabla 5-2 se han obtenido otros parámetros con este mismo equipo cuyo contraste es mayor, debido a una coordenada L menor. Capítulo 5. Conclusiones 45 Tabla 5-2. Ejemplos de parámetros con mejores cualidades estéticas Pará metros Coord L Homogeneidad Reflejos 175.600.40.2 7,5 2 1 175.700.40.2 10,8 2 1 225.800.40.2 11,7 2 1 225.600.50.2 15,7 2 1 225.700.60.2 18,6 2 0 Con el fin de lograr un marcaje de mejor calidad estética y preservando la marca de la corrosión se proponen algunas sugerencias para futuros estudios o trabajos:  Uso de recubrimientos: Con el uso de recubrimientos poliméricos transparentes resistentes a la abrasión se prevendría cualquier tipo de corrosión de las marcas.  Uso de aceros inoxidables alternativos: El uso de aceros inoxidables austeníticos por su mayor cromo equivalente reduciría la tendencia a la corrosión del substrato y por tanto de las marcas que en éste se realizaran.  Uso de atmósferas protectoras o reductoras: En el presente proyecto se ha experimentado con una atmósfera común, sin embargo, el uso de una atmósfera protectora reduciría la presencia del oxígeno en las proximidades de la marca, minando la formación de nuevos óxidos en el material. Marcaje digital láser aplicado a la decoración de frontales de lavavajillas 46