Corte CNC con Rayo Láser en 3D

Corte CNC con Rayo Láser en 3D

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Usos y Aplicaciones

Corte CNC con rayo láser en 3D (Three-dimensional Laser Cutting)

El corte con rayo láser en 3 dimensiones es un proceso térmico de alta precisión para cortar piezas con formas tridimensionales complejas, que emplea un rayo láser de alta potencia en un cabezal de corte que se desplaza en cualquier posición adaptándose a todas las superficies por complicadas que sean. Orientado a eliminar el sobrante de piezas troqueladas o embutidas.

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1. Láser

Un láser es un dispositivo que produce un tipo especial de haz de luz, con alta intensidad, ancho de banda angosto y naturaleza coherente (conservan una relación de fase constante) de su salida.

El término láser se forma con las siglas del ingles “light amplification by stimulated emission of radiation”, es decir, luz amplificada mediante la emisión estimulada de radiación.

El láser se caracteriza por ser un haz monocromático (todos los fotones tienen la misma longitud de onda, lo que permite agruparse y concentrar su energía en una sola dirección y en un solo punto), coherente (las ondas de luz vibran en la misma fase, es decir, se pueden predecir las fluctuaciones del campo electromagnético), baja divergencia (las ondas de luz están casi perfectamente paralelas, es decir, tiene un margen de error mínimo) y poder de densidad (sobrepasa enormemente otras fuentes de luz convencionales, hasta 800,000 W/cm2).

1.2. Principio de funcionamiento del láser

El corazón del dispositivo es el medio de amplificación de la luz. Puede ser sólido, líquido o gaseoso. Éste se activa o bombea por medio de una corriente eléctrica la cual produce una emisión espontánea donde las moléculas excitadas colisionan generando trayectorias aleatorias. Para que estas trayectorias tengan un comportamiento de rayo láser, el medio activo es colisionado por moléculas que tienen la misma energía que las moléculas generadas en la emisión espontánea. Este tipo de choques produce una emisión estimulada donde las moléculas viajan en la misma dirección y están en fase con la moléculas que ocasionaron la emisión. Por tanto, la emisión es del todo coherente con la radiación que entra, en esta condición hay una pérdida por absorción, de moléculas que producen el estado excitado, por lo que se crea una inversión de la población (mayor cantidad de fotones por emisión estimulada) para amplificar el haz de luz y así obtener el rayo láser.

Fig. 1 Esquema de funcionamiento del láser.

1.3. Tipos de rayo láser

Existen muchos tipos de láser, pudiéndose clasificar de diversas maneras; a continuación se muestra la clasificación por medio activo de los láseres más importantes.

Fig. 2 Tipos de láseres según el medio activo.

El rayo láser puede ser emitido de forma continua (haz ininterrumpido) y en pulsos (flashes repetidos de corta duración).

Los láseres que intervienen en el proceso de corte son: el láser de HeNe para la alineación del cabezal de corte y medición de desplazamientos; y el láser con CO2 para la penetración y corte del material.

El láser de HeNe. Láser gaseoso que emite un haz continuo de luz visible de color rojo, de uso común en la óptica, metrología, holografía, topografía y procesamiento de imágenes, en la industria se emplea en la alineación de sistemas ópticos de precisión para la medición de micro-desplazamientos. El medio activo es una mezcla gaseosa de helio y neón, contenida en un tubo de cuarzo cerrado. La oscilación láser se lleva a cabo a una longitud de onda de 0.6328 μm.

Láser con dióxido de carbono (CO2). Es la fuente estándar para aplicaciones de corte de contorno, debido a que es el láser más potente, capaz de una potencia de salida continua por encima de 10 kV y operar por pulsos hasta 10 kHz. Opera en el rango de frecuencia del infrarrojo, por lo que no es visible.

El medio activo es una mezcla de dióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2) y helio (He), las transiciones láser se llevan a cabo en los niveles energéticos del CO2. A diferencia de las transiciones energéticas electrónicas del láser de HeNe que se encuentran en la región visible del espectro, las transiciones vibracionales y rotacionales moleculares del CO2 se encuentran en el rango infrarrojo, la principal longitud de onda del CO2 es 10.6 μm.

2. Proceso de corte con láser

El proceso de corte con rayo láser requiere la acción simultánea de un rayo láser (CO2) de salida continua enfocado con una densidad de potencia mayor que 100,000 W/mm2 y un chorro de gas auxiliar que puede ser nitrógeno (N2) para acero inoxidable, aluminio y aleaciones de níquel u oxígeno (O2) para acero al carbono, inoxidable y cobre; que juntos producen un área de material eliminado en la pieza de trabajo. El rayo láser actúa como fuente de calor lineal que produce una agujero calado una vez que las condiciones iniciales alcanzan un estado estable. El gas auxiliar expulsa el material fundido del agujero por la raíz (ranura central) de corte.

Dado que casi todos los materiales son altamente reflejantes a longitudes de onda de los láseres considerados, el acoplamiento del rayo y la pieza de trabajo es muy ineficiente y la absorción es baja. La absorción inicial débil en la superficie de la pieza de trabajo comienza a elevar la temperatura de ésta directamente bajo el haz óptico centrado en un solo punto, haciendo que disminuya la reflectividad con bastante rapidez. La temperatura y la absorción aumentan hasta alcanzar la temperatura de fusión, permitiendo perforar el material, a partir de este momento, el rayo láser actúa como fuente de calor lineal energética dentro del material formando un charco fundido. Cuando el charco recibe el impacto de un chorro de gas auxiliar a alta presión, el metal líquido sale despedido por la raíz (ranura central) en la pieza de trabajo, produciéndose el corte.

El diámetro de la perforación oscila entre 0.0025 a 1.5 mm (0.0001 a 0.060 pulgadas). Un láser de CO2 puede cortar acero al carbono de hasta 25 mm (1 pulgada) de espesor. Sin embargo, los cortes de buena calidad en acero normalmente se efectúan en espesores de menos de 9.5 mm (3/8 de pulgada) debido a que el rayo láser tiene una profundidad de foco limitada.

En éste intervalo de espesores delgados, el corte con láser en 2D es una alternativa al uso de punzones o al estampado, al corte con gas oxicombustible y con arco de plasma. En comparación con estos procesos, el ruido, la vibración y los humos producidos por el corte láser son de niveles bastante bajos.

Las ventajas del corte con láser respecto a otros procesos son: ancho del corte pequeño, zona afectada por el calor mínima, altas velocidades de corte, buena calidad de los bordes, adaptabilidad a la automatización, no hay contacto mecánico entre el dispositivo de corte y la pieza de trabajo.

3. Corte de piezas tridimensionales - 3D

A diferencia de las operaciones de corte con equipo mecánico (cizallado, punzonado, etc.), con este proceso es posible mecanizar la mayoría de los materiales así como seguir trayectorias complejas de superficies en piezas conformadas, con un alto grado de precisión.

Piezas Automotices
Fig. Piezas automotrices.

Por lo tanto sus aplicaciones están orientadas a: eliminar el sobrante excedente de piezas que han sido troqueladas o embutidas, realizar cortes o perforaciones en piezas que no sean planas (autopartes, prototipos, piezas con geometría tridimensional, piezas plegadas, tubería cuadrada y redonda, perfiles estructurales, entre otros), etc. El resultado es un corte con alta calidad superficial con tolerancias estrechas.

El rayo láser por si sólo, no es capaz de realizar el proceso de corte. Por lo que antes antes de que el rayo incida sobre el material, éste tiene que ser dirigido, formado y enfocado. Esto se gracias a sus propiedades, las cuales son optimizadas por la máquina CNC, la cual hace posible, calcular, definir y controlar el proceso de corte con láser.

La ventaja que tiene sobre el corte láser en 2D, es que el cabezal de corte se puede orientar o desplazar en cualquier posición, lo que permite que se adapte a la superficie de la pieza de trabajo por muy compleja que sea su forma, esto gracias al número de ejes (5 o 6) en el equipo.

Rayo Laser en equipo 3D
Fig. Rayo láser en equipo de corte 3D.

El mecanismo emplea un control coordinado de 5 ejes en conjunto, que proveen un movimiento preciso para que el cabezal del corte siga trayectorias complejas. Este sistema emplea 3 ejes de desplazamiento para controlar la posición que son ejes: X, Y, Z; y 2 ejes para controlar la rotación que son: eje C con un rango de 360° y el eje B con un rango de ± 100°.

Rayo Laser en equipo 3D

Fig. Movimiento en 5 ejes (desplazamiento en: X, Y, Z; y rotación en: C, B)

Un aspecto indispensable es el software empleado tanto para programar las máquinas como para controlar la operación de las mismas. El fabricante de la máquina incorpora todo el 'Know-how' (saber-cómo) de corte y sus aplicaciones al control por medio de tablas de tecnología, que el operario aprende a seleccionar y aplicar con facilidad desde un panel de control en estación de trabajo. El sistema de programación permite importar archivos gráficos desde otros paquetes de software de diseño asistido por computadora (CAD), para crear las geometrías y los programas de mecanizado.

Una vez definida la geometría de los cortes y el proceso mediante el software de programación, esta información pasa al control de la máquina a través del sistema CNC (Control Numérico por Computadora), el cual ejecuta automáticamente todas las operaciones requeridas en la secuencia que se han programado.

Fig. Máquina de corte láser 3D
Fig. Cabezal de corte

Posteriormente, sobre la mesa de trabajo se monta el dispositivo de corte, en el cual se coloca y sujeta la pieza, se especifica el punto de referencia, se simula la trayectoria de la geometría en la pieza, se genera el código y se le ordena a la máquina iniciar el proceso de corte especificado. El programa permite guardar archivo y utilizarse en otro momento.

Fig. Piezas tridimensionales cortadas.

4. Tecnología láser de fibra.

Además de la tecnología láser que conocemos, actualmente se buscan nuevos productos con tecnología avanzada para reducir el costo de corte de metales por láser.

Fig. Láser de fibra óptica.

Existe un nuevo tipo de láser de fibra (hilo muy fino de material transparente, vidrio o plástico, que puede transmitir un haz de luz) con aplicaciones industriales que presentan ventajas económicas y técnicas en comparación con los láseres existentes, ya que tiene menor tamaño, mayor eficiencia y simplicidad en los sistemas de enfriamiento. Los láseres de fibra pueden ser usados para generar ondas continuas de radiación y por pulsos ópticos ultracortos.

A diferencia del láser de CO2 (láser gaseoso), el láser de fibra (láser sólido) no emplea gases y la longitud de onda del rayo es de 1 µm, inferior los 10 µm del láser de CO2; al ser tan pequeña, los materiales transparentes (fibra de vidrio) son los indicados para transmitir el rayo sin que el material lo absorba ni lo deforme. Gracias a esta mejora, las máquinas que usan este sistema de conducción se denominan, láseres de fibra. No por método de generación del rayo, sino por la forma de transportarlo.

Sus componentes básicos son: medio de ganancia que es capaz de producir luz cuando la energía de excitación es aplicada en él. Los espejos frontal y trasero que son parte del resonador que asegura que la luz se refleje de ida y vuelta a través del medio de ganancia, aumentando la intensidad y reduciendo la dispersión angular. La fracción de luz que pasa por el espejo frontal es lo que se convierte en el láser.

Fig. Componentes básico de un láser de fibra.

Su principio de funcionamiento se basa en un amplificador con retroalimentación positiva, puede estar dada por la reflexión de Fresnel de 4% (la luz cambia de dirección al pasar de un medio a otro) actuando como un espejo parcial; o también es posible con otros mecanismos de reflexión como las rejillas Bragg, interconstruidas en los extremos de la fibra (funcionan como espejos para reflejar determinadas longitudes de onda).

La ganancia del medio es proporcionada por el dopado (contaminación) con alguno de los elementos de la familia de los lantánidos (Neodimio Nd, Iterbio Yb, Erbio Er) y la interacción de la radiación del láser de entrada, la cual, en este tipo de láseres puede ser de varios metros (las dimensiones físicas del medio de ganancia para el láser de fibra son alrededor de 10 m, para un láser Nd: YAG (Neodimio) es de 200 mm, y una descarga de láser de CO2 (dióxido de carbono) cerca de 2 m).

Otro aspecto importante es la técnica de bombeo con la cual se obtiene el efecto de emisión estimulada. Este bombeo es, en esencia, una fuente externa de energía (barras de diodos láser de semiconductor) que se acopla a una o ambas caras de la fibra óptica, ésta estimula a los electrones a subir de su estado base a un estado excitado en los niveles de energía adecuados.

El tamaño de las fibras ópticas esta en el rango de 30 – 50 µm, para reducir los efectos no lineales. Dado que una geometría circular de la fibra no es la más adecuada (ya que son pocos los rayos que pasan por el eje de bombeo), es necesario introducir una asimetría, es decir, formas geométricas no circulares para el revestimiento.

Para mejorar la eficiencia del láser de fibra óptica se emplea un doble revestimiento. Por lo general, mientras el primer revestimiento guía la luz generada, el segundo conduce la luz láser de la fuente de bombeo.

Los láseres de fibra óptica generan luz a diferentes longitudes de onda (0.4 – 4 µm), para aplicaciones en las telecomunicaciones, procesamiento de materiales, procesamiento de señales y medicina.

En un maquina que emplea láser de fibra, la longitud de onda es de 1 µm, concentrando el rayo y otorgando un mejor ángulo de incidencia con respectos a los materiales, por lo que éstos absorben mejor el láser y se vaporizan más rápido. Es ideal para ejecutar trabajos precisos, rápidos y limpios en láminas de hasta 6 mm de espesor, de ahí en adelante, en términos de velocidad, es mejor utilizar el láser de CO2.

El pequeño tamaño del láser hace posible la eliminación de los complejos sistemas de refrigeración, y a su vez tiene excelentes propiedades de bombeo constante y un rápido calentamiento.

En la actualidad ya se encuentran disponibles, de manera comercial, láseres de fibra óptica dopados con yerbio, con rangos de potencia de 1 – 10 kilowatts. Los láseres de decenas de watts pueden aplicarse en la industria para productos de metales, cerámicos, plásticos, micromaquinado, microsoldadura y corte. Los láseres de fibra óptica cuya potencia es mayor de decenas a miles de watts, pueden emplearse en los procesos de soldadura directa y soldadura remota o en corte de alta velocidad.

5. Etiquetado y marcado de punto por láser

En el etiquetado por rayo láser, la superficie del material es erosionada ligeramente y decolorada, produciendo una hendidura superficial continua poco profunda que sigue una geometría establecida, con la cual se puede realizar la identificación de la pieza de trabajo, colocar marcas para procesos posteriores, crear formas en la superficie del material, para decoración, etc..

Otra forma para la identificación de piezas es por medio del marcado de punto, éste crea una leve depresión en la superficie del material, obteniendo marcas en forma de puntos intermitentes a lo largo de la geometría.

Fig. Esquema de marcado con láser.

Estas marcas en caso de que no se requieran, pueden ocultarse con la aplicación de recubrimientos como la aplicación de laca.