El corte por láser es una tecnología que utiliza un láser para vaporizar materiales, lo que da como resultado un borde cortado.Aunque normalmente se usa para aplicaciones de fabricación industrial, ahora lo usan escuelas, pequeñas empresas, arquitectura y aficionados.El corte por láser funciona dirigiendo la salida de un láser de alta potencia más comúnmente a través de la óptica.La óptica 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 en 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.
Historia
En 1965, se utilizó la primera máquina de corte por láser de producción para taladrar orificios en troqueles de diamante.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 materiales no metálicos, como textiles, porque, en ese momento, los láseres de CO2 no eran lo suficientemente potentes para superar la conductividad térmica de los metales.[5]
Proceso
Corte láser industrial de acero con instrucciones de corte programadas a través de la interfaz CNC
El rayo láser generalmente se enfoca 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 tiene generalmente menos de 0,0125 pulgadas (0,32 mm) de diámetro.Dependiendo del grosor del material, son posibles anchos de corte tan pequeños como 0,004 pulgadas (0,10 mm).[6]Para poder comenzar a cortar desde un lugar que no sea el borde, se realiza una perforación antes de cada corte.La perforación generalmente implica un rayo láser pulsado de alta potencia que hace un agujero lentamente en el material, lo que demora entre 5 y 15 segundos para acero inoxidable de 13 mm (0,5 pulgadas) de espesor, por ejemplo.
Los rayos paralelos de luz coherente de la fuente láser a menudo caen en el rango de 0,06 a 0,08 pulgadas (1,5 a 2,0 mm) de diámetro.Este rayo normalmente se enfoca e intensifica mediante una lente o un espejo en un punto muy pequeño de aproximadamente 0,001 pulgadas (0,025 mm) para crear un rayo láser muy intenso.Para lograr el acabado más uniforme posible durante el corte de contornos, la dirección de la polarización del haz debe girarse a medida que recorre la periferia de una pieza de trabajo contorneada.Para el corte de chapa, la distancia focal suele ser de 1,5 a 3 pulgadas (38 a 76 mm).[7]
Las ventajas del corte por láser sobre el corte mecánico incluyen una sujeción más fácil y una contaminación reducida de la pieza de trabajo (ya que no hay filo 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 existe una posibilidad reducida de deformar el material que se está cortando, ya que los sistemas láser tienen una pequeña zona afectada por el calor.[8]Algunos materiales también son muy difíciles o imposibles de cortar por medios más tradicionales.
El corte por láser para metales tiene las ventajas sobre el corte por plasma de ser más preciso[9] y usar menos energía al cortar láminas de metal;sin embargo, la mayoría de los láseres industriales no pueden atravesar el mayor espesor de metal que el plasma.Las máquinas láser más nuevas que funcionan a mayor potencia (6000 vatios, en contraste con las clasificaciones de 1500 vatios de las primeras máquinas de corte por láser) se acercan a las máquinas de plasma en su capacidad para cortar materiales gruesos, pero el costo de capital de tales máquinas es mucho más alto que el del plasma. máquinas cortadoras capaces de cortar materiales gruesos como chapas de acero.[10]
Tipos
Cortadora láser de CO2 de 4000 vatios
Hay 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 solo difieren en la aplicación.Nd se utiliza para perforar y donde se requiere mucha energía pero poca repetición.El láser Nd:YAG se utiliza donde se necesita una potencia muy alta y para taladrar y grabar.Tanto el láser de CO2 como el de Nd/Nd:YAG se pueden utilizar para soldar.[11]
Los láseres de CO2 comúnmente se “bombean” pasando una corriente a través de la mezcla de gases (excitados por CC) o usando energía de radiofrecuencia (excitados por RF).El método RF es más nuevo y se ha vuelto más popular.Dado que los diseños de CC requieren electrodos dentro de la cavidad, pueden experimentar erosión de los electrodos y recubrimiento del material de los electrodos en la cristalería 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 de ingeniería, cera, telas y papel.Los láseres YAG se utilizan principalmente para cortar y trazar metales y cerámicas.[12]
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 soplador.Los láseres de flujo transversal hacen circular la mezcla de gas a una velocidad más baja, lo que requiere un soplador más simple.Los resonadores de losa o enfriados por difusión tienen un campo de gas estático que no requiere presurización ni material de vidrio, lo que genera ahorros en el reemplazo de turbinas y material de vidrio.
El generador de 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.
El microjet láser es un láser guiado por chorro de agua en el que un rayo láser pulsado se acopla a un chorro de agua a baja presión.Esto se usa para realizar funciones de corte por láser mientras se usa el chorro de agua para guiar el rayo láser, como una fibra óptica, a través de la reflexión interna total.Las ventajas de esto son que el agua también elimina los desechos y enfría el material.Las ventajas adicionales sobre el corte por láser "seco" tradicional son las altas velocidades de corte en cubos, el corte paralelo y el corte omnidireccional.[13]
Los láseres de fibra son un tipo de láser de estado sólido que está creciendo rápidamente en la industria del corte de metales.A diferencia del CO2, la tecnología Fiber utiliza un medio de ganancia sólido, a diferencia de un gas o un líquido.El "láser semilla" produce el rayo 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 frente al CO2.[14]
Los beneficios del cortador láser de fibra incluyen:-
Tiempos de procesamiento rápidos.
Consumo de energía y facturas reducidos, debido a una mayor eficiencia.
Mayor confiabilidad y rendimiento: sin elementos ópticos que ajustar o alinear y sin lámparas que reemplazar.
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]
Métodos
Hay muchos métodos diferentes para cortar con láser, y se utilizan diferentes tipos para cortar diferentes materiales.Algunos de los métodos son vaporización, fusión y soplado, fusión, soplado y quemado, agrietamiento por tensión térmica, trazado, corte en frío y corte por láser estabilizado por combustión.
Corte por vaporización
En el corte por vaporización, el haz enfocado calienta la superficie del material hasta el punto de inflamación y genera un ojo de cerradura.El ojo de la cerradura conduce a un aumento repentino de la capacidad de absorción que profundiza rápidamente el agujero.A medida que el agujero se hace más profundo y el material hierve, el vapor generado erosiona las paredes fundidas expulsando y agrandando aún más el agujero.Los materiales que no se derriten, como la madera, el carbón y los plásticos termoestables, generalmente se cortan con este método.
Derretir y soplar
El corte por fusión y soplado o por fusión 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, luego, un chorro de gas sopla el material fundido fuera de la ranura, evitando la necesidad de elevar más la temperatura del material.Los materiales cortados con este proceso suelen ser metales.
Agrietamiento por tensión térmica
Los materiales frágiles son particularmente sensibles a la fractura térmica, una característica explotada en el agrietamiento por tensión térmica.Un haz se enfoca en la superficie causando calentamiento localizado y expansión térmica.Esto da como resultado una grieta que luego se puede guiar moviendo la viga.La grieta se puede mover en el orden de m/s.Se suele utilizar en el corte de vidrio.
Corte sigiloso de obleas de silicio
Más información: Troceado de obleas
La separación de chips microelectrónicos preparados en la fabricación de dispositivos semiconductores a partir de obleas de silicio se puede realizar mediante el llamado proceso de troceado sigiloso, que opera con un láser Nd:YAG pulsado, cuya longitud de onda (1064 nm) está bien adaptada a la electrónica. banda prohibida de silicio (1,11 eV o 1117 nm).
Corte reactivo
También llamado “corte por gas con láser estabilizado por combustión”, “corte por llama”.El corte reactivo es como el corte con soplete de oxígeno pero con un rayo láser como fuente de ignición.Principalmente utilizado para el corte de acero al carbono en espesores superiores a 1 mm.Este proceso se puede utilizar para cortar placas de acero muy gruesas con una potencia de láser relativamente pequeña.
Tolerancias y acabado superficial
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 lámina, pero disminuye con la potencia del láser y la velocidad de corte.Al cortar acero con bajo contenido de carbono con una potencia de láser de 800 W, la rugosidad estándar Rz es de 10 μm para espesores 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}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12,528\cdot S^{0,542 }}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}
Donde: {\displaystyle S=}S= espesor de chapa de acero en mm;{\displaystyle P=}P= potencia láser en kW (algunas cortadoras láser nuevas tienen una potencia láser de 4 kW);{\displaystyle V=}V= velocidad de corte en metros por minuto.[16]
Este proceso es capaz de mantener tolerancias bastante estrechas, a menudo dentro de 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 que resulta del corte por rayo láser puede oscilar entre 125 y 250 micropulgadas (0,003 mm a 0,006 mm).[11]
Configuraciones de la máquina
Láser de óptica voladora de doble paleta
Cabezal láser de óptica voladora
En general, existen tres configuraciones diferentes de máquinas industriales de corte por láser: sistemas de material en movimiento, híbridos y de óptica voladora.Estos se refieren a la forma en que el rayo láser se mueve sobre el material a cortar o procesar.Para todos estos, los ejes de movimiento se designan típicamente como ejes X e Y.Si se puede controlar el cabezal de corte, se designa como el eje Z.
Los láseres de material en movimiento tienen un cabezal de corte estacionario 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 cual eliminar el efluente de corte.Requiere menos óptica, pero requiere mover la pieza de trabajo.Este estilo de máquina tiende a tener la menor cantidad de ópticas de entrega de haz, pero también tiende a ser la más lenta.
Los láseres híbridos proporcionan una mesa que se mueve en un eje (generalmente el eje X) y mueve la cabeza a lo largo del eje más corto (Y).Esto da como resultado una longitud de trayectoria de entrega de haz más constante que una máquina óptica voladora y puede permitir un sistema de entrega de haz más simple.Esto puede dar como resultado una pérdida de energía reducida en el sistema de entrega y una mayor capacidad por vatio que las máquinas de óptica voladora.
Los láseres de óptica voladora cuentan con una mesa estacionaria y un cabezal de corte (con 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 el tamaño variable de la pieza de trabajo.Las máquinas de óptica voladora son del tipo más rápido, lo que resulta ventajoso cuando se cortan piezas de trabajo más delgadas.[17]
Las máquinas ópticas voladoras deben usar algún método para tener en cuenta el cambio de longitud del haz desde el corte del campo cercano (cerca del resonador) al corte del 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 de trabajo formadas.Además, existen varios métodos para orientar el rayo láser hacia una pieza de trabajo con forma, manteniendo una distancia de enfoque y una separación de la boquilla adecuadas, etc.
pulsante
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 perforación, o cuando se requieren orificios muy pequeños o velocidades de corte muy bajas, ya que si se usara un rayo láser constante, el calor podría llegar al punto de derretir toda la pieza que se está cortando.
La mayoría de los láseres industriales tienen la capacidad de pulsar o cortar CW (onda continua) bajo el control del programa NC (control numérico).
Los láseres de doble pulso utilizan una serie de pares de pulsos para mejorar la tasa de eliminación de material y la calidad del orificio.Esencialmente, el primer pulso elimina material de la superficie y el segundo evita que la eyección se adhiera al costado del orificio o corte.[18]
Hora de publicación: 16-jun-2022