Corte por láser

El corte por láser es una tecnología que utiliza un láser para vaporizar materiales, lo que da como resultado un borde cortado. Si bien se utiliza generalmente para aplicaciones de fabricación industrial, ahora lo utilizan escuelas, pequeñas empresas, arquitectura y aficionados. El corte por láser funciona dirigiendo la salida de un láser de alta potencia, generalmente a través de la óptica. La óptica del láser y el CNC (control numérico por computadora) se utilizan para dirigir el rayo láser al material. Un láser comercial para cortar materiales utiliza un sistema de control de movimiento para seguir un código CNC o G del patrón que se va a cortar sobre el material. El rayo láser enfocado se dirige al material, que luego se derrite, se quema, se vaporiza o es expulsado por un chorro de gas, ^[1] dejando un borde con un acabado superficial de alta calidad. ^[2]

En 1965, se utilizó la primera máquina de corte por láser de producción para perforar agujeros en matrices de diamantes . Esta máquina fue fabricada por el Centro de Investigación de Ingeniería Eléctrica Occidental . ^[3] En 1967, los británicos fueron pioneros en el corte por chorro de oxígeno asistido por láser para metales. ^[4] A principios de la década de 1970, esta tecnología se puso en producción para cortar titanio para aplicaciones aeroespaciales. Al mismo tiempo, los láseres _de CO2 se adaptaron para cortar no metales, como textiles , porque, en ese momento, los láseres de CO2 _no eran lo suficientemente potentes para superar la conductividad térmica de los metales. ^[5]

El haz láser se enfoca generalmente utilizando una lente de alta calidad en la zona de trabajo. La calidad del haz tiene un impacto directo en el tamaño del punto enfocado. La parte más estrecha del haz enfocado generalmente tiene menos de 0,0125 pulgadas (0,32 mm) de diámetro. Dependiendo del espesor del material, son posibles anchos de corte tan pequeños como 0,004 pulgadas (0,10 mm). ^{[6] Para poder comenzar a cortar desde algún lugar que no sea el borde, se realiza una perforación antes de cada corte. La perforación generalmente implica un haz láser pulsado de alta potencia que lentamente hace un agujero en el material, demorando alrededor de 5 a 15 segundos para} acero inoxidable de 0,5 pulgadas de espesor (13 mm) , por ejemplo.

Los rayos paralelos de luz coherente de la fuente láser suelen tener un diámetro de entre 1,5 y 2,0 mm (0,06 y 0,08 pulgadas). Normalmente, este haz se enfoca e intensifica mediante una lente o un espejo en un punto muy pequeño de aproximadamente 0,025 mm (0,001 pulgadas) para crear un haz láser muy intenso. Para lograr el acabado más suave posible durante el corte de contornos, la dirección de polarización del haz debe rotarse a medida que recorre la periferia de una pieza de trabajo contorneada. Para el corte de chapa metálica, la distancia focal suele ser de entre 38 y 76 mm (1,5 y 3 pulgadas). ^{[7] [8]}

Las ventajas del corte por láser frente al corte mecánico incluyen una sujeción más sencilla de la pieza y una menor contaminación de la pieza (ya que no hay un borde cortante que pueda contaminarse con el material o contaminar el material). La precisión puede ser mejor ya que el rayo láser no se desgasta durante el proceso. También hay una menor posibilidad de deformar el material que se está cortando, ya que los sistemas láser tienen una pequeña zona afectada por el calor . ^[9] Algunos materiales también son muy difíciles o imposibles de cortar con medios más tradicionales. ^[10]

El corte por láser de metales tiene la ventaja sobre el corte por plasma de ser más preciso ^[11] y de utilizar menos energía al cortar chapa metálica; sin embargo, la mayoría de los láseres industriales no pueden cortar metales de mayor espesor que el plasma. Las máquinas láser más nuevas que funcionan a mayor potencia (6000 vatios, en contraste con los 1500 vatios de las primeras máquinas de corte por láser) se están acercando a las máquinas de plasma en su capacidad para cortar materiales gruesos, pero el costo de capital de dichas máquinas es mucho mayor que el de las máquinas de corte por plasma capaces de cortar materiales gruesos como la placa de acero. ^[12]

Existen tres tipos principales de láseres utilizados en el corte por láser. El láser _de CO2 es adecuado para cortar, taladrar y grabar. Los láseres de neodimio (Nd) y neodimio itrio-aluminio-granate ( Nd:YAG ) son idénticos en estilo y difieren solo en la aplicación. El Nd se utiliza para taladrar y donde se requiere alta energía pero baja repetición. El láser Nd:YAG se utiliza donde se necesita una potencia muy alta y para taladrar y grabar. Tanto los láseres de CO2 _como los de Nd/Nd:YAG se pueden utilizar para soldar . ^[13]

_{Los láseres de} CO2 se "bombean" comúnmente al pasar una corriente a través de la mezcla de gases (excitación por CC) o utilizando energía de radiofrecuencia (excitación por RF). El método de RF es más nuevo y se ha vuelto más popular. Dado que los diseños de CC requieren electrodos dentro de la cavidad, pueden sufrir erosión de electrodos y enchapado del material de los electrodos en el material de vidrio y la óptica . Dado que los resonadores de RF tienen electrodos externos, no son propensos a esos problemas. Los láseres de CO2 _se utilizan para el corte industrial de muchos materiales, incluidos titanio, acero inoxidable, acero dulce, aluminio, plástico, madera, madera industrial, cera, telas y papel. Los láseres YAG se utilizan principalmente para cortar y rayar metales y cerámica.

Además de la fuente de energía, el tipo de flujo de gas también puede afectar el rendimiento. Las variantes comunes de los láseres de CO2 _incluyen flujo axial rápido, flujo axial lento, flujo transversal y placa. En un resonador de flujo axial rápido, la mezcla de dióxido de carbono, helio y nitrógeno circula a alta velocidad mediante una turbina o un soplador. Los láseres de flujo transversal hacen circular la mezcla de gases a una velocidad menor, lo que requiere un soplador más simple. Los resonadores refrigerados por placa o difusión tienen un campo de gas estático que no requiere presurización ni cristalería, lo que genera ahorros en turbinas y cristalería de reemplazo.

El generador láser y la óptica externa (incluida la lente de enfoque) requieren refrigeración. Según el tamaño y la configuración del sistema, el calor residual puede transferirse mediante un refrigerante o directamente al aire. El agua es un refrigerante de uso común, que normalmente circula a través de un enfriador o un sistema de transferencia de calor.

Un microchorro láser es un láser guiado por chorro de agua en el que un haz láser pulsado se acopla a un chorro de agua a baja presión. Esto se utiliza para realizar funciones de corte láser mientras se utiliza el chorro de agua para guiar el haz láser, de forma muy similar a una fibra óptica, a través de una reflexión interna total. Las ventajas de esto son que el agua también elimina los residuos y enfría el material. Las ventajas adicionales sobre el corte láser "seco" tradicional son las altas velocidades de corte, el corte paralelo y el corte omnidireccional. ^[14]

Los láseres de fibra son un tipo de láser de estado sólido que está creciendo rápidamente dentro de la industria del corte de metales. A diferencia del CO2 _, la tecnología de fibra utiliza un medio de ganancia sólido, en lugar de un gas o líquido. El "láser semilla" produce el haz láser y luego se amplifica dentro de una fibra de vidrio. Con una longitud de onda de solo 1064 nanómetros, los láseres de fibra producen un tamaño de punto extremadamente pequeño (hasta 100 veces más pequeño en comparación con el CO2 ₎ , lo que lo hace ideal para cortar material metálico reflectante. Esta es una de las principales ventajas de la fibra en comparación con el _CO2 .

Las ventajas del cortador láser de fibra incluyen:

• Tiempos de procesamiento rápidos.
• Consumo de energía y facturas reducidas gracias a una mayor eficiencia.
• Mayor confiabilidad y rendimiento: no es necesario ajustar ni alinear ópticas ni reemplazar lámparas.
• Mantenimiento mínimo.
• La capacidad de procesar materiales altamente reflectantes como el cobre y el latón.
• Mayor productividad: los costos operativos más bajos ofrecen un mayor retorno de su inversión. ^[15]

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Existen muchos métodos diferentes de corte con láser, y se utilizan distintos tipos para cortar distintos materiales. Algunos de los métodos son la vaporización, la fusión y soplado, la fusión y soplado y quemado, el agrietamiento por tensión térmica, el rayado, el corte en frío y el corte láser estabilizado por quemado.

En el corte por vaporización, el haz enfocado calienta la superficie del material hasta un punto de inflamación y genera un orificio. El orificio produce un aumento repentino de la capacidad de absorción, lo que hace que el orificio se haga más profundo. A medida que el orificio se hace más profundo y el material hierve, el vapor generado erosiona las paredes fundidas, expulsando el material expulsado y agrandando aún más el orificio. Los materiales que no se funden, como la madera, el carbono y los plásticos termoendurecibles, suelen cortarse con este método.

El corte por fusión y soplado utiliza gas a alta presión para expulsar el material fundido del área de corte, lo que reduce en gran medida el requerimiento de energía. Primero, el material se calienta hasta el punto de fusión y luego un chorro de gas expulsa el material fundido de la zona de corte, evitando la necesidad de aumentar aún más la temperatura del material. Los materiales cortados con este proceso son generalmente metales.

Los materiales frágiles son particularmente sensibles a la fractura térmica, una característica que se aprovecha en el agrietamiento por tensión térmica. Se enfoca un haz sobre la superficie provocando un calentamiento localizado y una expansión térmica. Esto da como resultado una grieta que luego se puede guiar moviendo el haz. La grieta se puede mover en el orden de m/s. Se utiliza generalmente en el corte de vidrio.

La separación de chips microelectrónicos , como los que se preparan en la fabricación de dispositivos semiconductores a partir de obleas de silicio , se puede realizar mediante el llamado proceso de corte furtivo, que funciona con un láser Nd:YAG pulsado , cuya longitud de onda (1064 nm) está bien adaptada a la banda prohibida electrónica del silicio (1,11 eV o 1117 nm).

El corte reactivo también se denomina "corte por láser con gas estabilizado por combustión" y "corte por llama". El corte reactivo es como el corte con soplete de oxígeno, pero con un rayo láser como fuente de ignición. Se utiliza principalmente para cortar acero al carbono con espesores superiores a 1 mm. Este proceso se puede utilizar para cortar placas de acero muy gruesas con relativamente poca potencia láser.

Los cortadores láser tienen una precisión de posicionamiento de 10 micrómetros y una repetibilidad de 5 micrómetros. ^{[ cita requerida ]}

La rugosidad estándar Rz aumenta con el espesor de la chapa, pero disminuye con la potencia del láser y la velocidad de corte . Al cortar acero con bajo contenido de carbono con una potencia láser de 800 W, la rugosidad estándar Rz es de 10 μm para un espesor de chapa de 1 mm, 20 μm para 3 mm y 25 μm para 6 mm.

$${\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}$$

Dónde: espesor de la chapa de acero en mm; potencia del láser en kW (algunas cortadoras láser nuevas tienen una potencia láser de 4 kW); velocidad de corte en metros por minuto. ^[16]${\estilo de visualización S=}$${\estilo de visualización P=}$${\estilo de visualización V=}$

Este proceso es capaz de mantener tolerancias bastante estrechas , a menudo de hasta 0,001 pulgadas (0,025 mm). La geometría de la pieza y la solidez mecánica de la máquina tienen mucho que ver con las capacidades de tolerancia. El acabado superficial típico resultante del corte por rayo láser puede variar de 125 a 250 micropulgadas (0,003 mm a 0,006 mm). ^[13]

En general, existen tres configuraciones diferentes de máquinas de corte láser industriales: sistemas de material móvil, híbridos y de óptica volante. Estas se refieren a la forma en que se mueve el haz láser sobre el material que se va a cortar o procesar. Para todos ellos, los ejes de movimiento suelen denominarse eje X e Y. Si se puede controlar el cabezal de corte, se denomina eje Z.

Los láseres de material móvil tienen un cabezal de corte fijo y mueven el material debajo de él. Este método proporciona una distancia constante desde el generador láser hasta la pieza de trabajo y un único punto desde el que eliminar el efluente del corte. Requiere menos ópticas, pero requiere mover la pieza de trabajo. Este estilo de máquina tiende a tener la menor cantidad de ópticas de entrega del haz, pero también tiende a ser el más lento.

Los láseres híbridos cuentan con una mesa que se mueve en un eje (normalmente el eje X) y mueve el cabezal a lo largo del eje más corto (Y). Esto da como resultado una longitud de trayectoria de emisión del haz más constante que una máquina óptica voladora y puede permitir un sistema de emisión del haz más simple. Esto puede dar como resultado una menor pérdida de potencia en el sistema de emisión y una mayor capacidad por vatio que las máquinas ópticas voladoras.

Los láseres de óptica voladora cuentan con una mesa fija y un cabezal de corte (con un rayo láser) que se mueve sobre la pieza de trabajo en ambas dimensiones horizontales. Los cortadores de óptica voladora mantienen la pieza de trabajo estacionaria durante el procesamiento y, a menudo, no requieren sujeción del material. La masa en movimiento es constante, por lo que la dinámica no se ve afectada por la variación del tamaño de la pieza de trabajo. Las máquinas de óptica voladora son el tipo más rápido, lo que resulta ventajoso al cortar piezas de trabajo más delgadas. ^[17]

Las máquinas ópticas voladoras deben utilizar algún método para tener en cuenta el cambio de longitud del haz desde el corte de campo cercano (cerca del resonador) hasta el corte de campo lejano (lejos del resonador). Los métodos comunes para controlar esto incluyen la colimación, la óptica adaptativa o el uso de un eje de longitud de haz constante.

Las máquinas de cinco y seis ejes también permiten cortar piezas moldeadas. Además, existen varios métodos para orientar el haz láser hacia una pieza moldeada, manteniendo una distancia de enfoque y una separación de boquillas adecuadas.

Los láseres pulsados ​​que proporcionan una ráfaga de energía de alta potencia durante un período corto son muy efectivos en algunos procesos de corte por láser, particularmente para perforar, o cuando se requieren agujeros muy pequeños o velocidades de corte muy bajas, ya que si se utilizara un rayo láser constante, el calor podría llegar al punto de fundir toda la pieza a cortar.

La mayoría de los láseres industriales tienen la capacidad de pulsar o cortar CW (onda continua) bajo control de programa NC ( control numérico ).

Los láseres de doble pulso utilizan una serie de pares de pulsos para mejorar la velocidad de eliminación de material y la calidad del orificio. Básicamente, el primer pulso elimina material de la superficie y el segundo evita que el material expulsado se adhiera al costado del orificio o corte. ^[18]

La principal desventaja del corte por láser es el alto consumo de energía. La eficiencia del láser industrial puede variar entre el 5% y el 45%. ^[19] El consumo de energía y la eficiencia de cualquier láser en particular variarán según la potencia de salida y los parámetros operativos. Esto dependerá del tipo de láser y de lo bien que se adapte el láser al trabajo en cuestión. La cantidad de energía de corte por láser requerida, conocida como entrada de calor , para un trabajo en particular depende del tipo de material, el grosor, el proceso (reactivo/inerte) utilizado y la velocidad de corte deseada.

La velocidad máxima de corte (velocidad de producción) está limitada por una serie de factores, entre ellos la potencia del láser, el espesor del material, el tipo de proceso (reactivo o inerte) y las propiedades del material. Los sistemas industriales comunes (≥1 kW) cortan acero al carbono de entre 0,51 y 13 mm de espesor. Para muchos propósitos, un láser puede ser hasta treinta veces más rápido que el aserrado estándar. ^[21]

• Bromberg, Joan (1991). El láser en América, 1950-1970. Prensa del MIT. pag. 202.ISBN​ 978-0-262-02318-4.
• Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. (2004). Manual de maquinaria (27.ª edición). Nueva York, NY: Industrial Press Inc. ISBN 978-0-8311-2700-8.
• Todd, Robert H.; Allen, Dell K.; Alting, Leo (1994). Guía de referencia de procesos de fabricación. Industrial Press Inc. ISBN 0-8311-3049-0.