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 utiliza 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, 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 CNC o código G del patrón que se cortará en el material. El rayo láser enfocado se dirige al material, que luego se funde, se quema, se vaporiza o es arrastrado 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 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 CO 2 se adaptaron para cortar materiales no metálicos, como los textiles , porque, en aquel momento, los láseres de CO 2 no eran lo suficientemente potentes para superar la conductividad térmica de los metales. [5]
El rayo láser generalmente se enfoca mediante 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 espesor del material, son posibles anchos de corte tan pequeños como 0,004 pulgadas (0,10 mm). [6] Para poder empezar a cortar desde otro lugar además del borde, se realiza una perforación antes de cada corte. La perforación generalmente implica un rayo láser pulsado de alta potencia que lentamente hace un agujero en el material, lo que demora entre 5 y 15 segundos para el acero inoxidable de 0,5 pulgadas (13 mm) 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 suave posible durante el corte de contornos, se debe girar la dirección de polarización del haz a medida que recorre la periferia de una pieza de trabajo contorneada. Para el corte de chapa, la distancia focal suele ser de 38 a 76 mm (1,5 a 3 pulgadas). [7]
Las ventajas del corte por láser sobre el corte mecánico incluyen una sujeción más fácil del trabajo y una menor contaminación 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 menor posibilidad 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 con medios más tradicionales.
El corte por láser para metales tiene la ventaja sobre el corte por plasma de ser más preciso [9] y utilizar menos energía al cortar chapa; sin embargo, la mayoría de los láseres industriales no pueden cortar el mayor espesor del metal que puede hacerlo el plasma. Las máquinas láser más nuevas que funcionan a mayor potencia (6.000 vatios, en comparación con las potencias de 1.500 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 placas de acero. [10]
Hay tres tipos principales de láseres utilizados en el corte por láser. El láser de CO 2 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 sólo en la aplicación. Nd se utiliza para perforar y donde se requiere mucha energía pero poca repetición. El láser Nd:YAG se utiliza cuando se necesita una potencia muy alta y para taladrar y grabar. Para soldar se pueden utilizar láseres de CO 2 y Nd/Nd:YAG . [11]
Los láseres de CO 2 comúnmente se "bombean" haciendo pasar una corriente a través de la mezcla de gases (excitados por CC) o utilizando 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 sufrir erosión de los electrodos y revestimiento del material de los electrodos en cristalería y ópticas . Dado que los resonadores de RF tienen electrodos externos, no son propensos a sufrir esos problemas. Los láseres de CO 2 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 láseres de CO 2 incluyen flujo axial rápido, flujo axial lento, flujo transversal y losa. 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 gases a una velocidad más baja, lo que requiere un soplador más simple. Los resonadores enfriados por losa o por difusión tienen un campo de gas estático que no requiere presurización ni cristalería, lo que permite ahorrar en turbinas y cristalería de repuesto.
El generador láser y la óptica externa (incluida la lente de enfoque) requieren refrigeración. Dependiendo del 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 generalmente circula a través de un enfriador o sistema de transferencia de calor.
Un microchorro 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. Se utiliza para realizar funciones de corte por láser mientras se utiliza el chorro de agua para guiar el rayo láser, como 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 por láser "seco" tradicional son las altas velocidades de corte en cubitos, el corte paralelo y el corte omnidireccional. [13]
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 CO 2 , la tecnología de fibra utiliza un medio de ganancia sólido, en lugar de un gas o un líquido. El "láser de semilla" produce el rayo láser y luego se amplifica dentro de una fibra de vidrio. Con una longitud de onda de sólo 1064 nanómetros, los láseres de fibra producen un tamaño de punto extremadamente pequeño (hasta 100 veces más pequeño en comparación con el CO 2 ), lo que los hace ideales para cortar material metálico reflectante. Esta es una de las principales ventajas de la Fibra frente al CO 2 .
Los beneficios del cortador láser de fibra incluyen:
Existen muchos métodos diferentes de corte con láser, y se utilizan diferentes tipos para cortar diferentes materiales. Algunos de los métodos son vaporización, fusión y soplado, fusión, soplado y quemado, craqueo por tensión térmica, trazado, corte en frío y corte por láser estabilizado por combustión.
En el corte por vaporización, el haz enfocado calienta la superficie del material hasta un punto de inflamación y genera un ojo de cerradura. El ojo de cerradura provoca un aumento repentino de la absortividad, lo que profundiza rápidamente el agujero. A medida que el agujero se profundiza y el material hierve, el vapor generado erosiona las paredes fundidas, expulsando la expulsión y agrandando aún más el agujero. Los materiales que no se funden, como la madera, el carbono y los plásticos termoestables, suelen cortarse mediante este método.
El corte por fusión y soplado o fusión utiliza gas a alta presión para soplar el material fundido del área de corte, lo que reduce en gran medida el requisito de energía. Primero, el material se calienta hasta el punto de fusión y luego un chorro de gas expulsa el material fundido fuera de la ranura evitando la necesidad de aumentar aún más la temperatura del material. Los materiales cortados con este proceso suelen ser metales.
Los materiales frágiles son particularmente sensibles a la fractura térmica, una característica que se aprovecha en el agrietamiento por tensión térmica. Un haz se enfoca en la superficie provocando calentamiento localizado y expansión térmica. Esto da como resultado una grieta que luego puede guiarse moviendo la viga. La grieta se puede mover en el orden de m/s. Se suele utilizar en el corte de vidrio.
La separación de chips microelectrónicos preparados en la fabricación de dispositivos semiconductores a partir de obleas de silicio puede realizarse mediante el llamado proceso de corte en cubitos sigiloso, que funciona con un láser Nd:YAG pulsado , cuya longitud de onda (1064 nm) se adapta bien a la electrónica. banda prohibida de silicio (1,11 eV o 1117 nm).
El corte reactivo también se denomina "corte con gas láser estabilizado por combustión" y "corte con oxicorte". 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.
Las cortadoras láser tienen una precisión de posicionamiento de 10 micrómetros y una repetibilidad de 5 micrómetros. [ cita necesaria ]
La rugosidad estándar Rz aumenta con el espesor de la hoja, 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 láminas de 1 mm de espesor, 20 μm para 3 mm y 25 μm para 6 mm.
Donde: espesor de la chapa de acero en mm; potencia del láser en kW (algunas cortadoras láser nuevas tienen una potencia de 4 kW); Velocidad de corte en metros por minuto. [15]
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 resultante del corte con rayo láser puede oscilar entre 125 y 250 micropulgadas (0,003 mm a 0,006 mm). [11]
Generalmente existen tres configuraciones diferentes de máquinas de corte por láser industriales: sistemas de material móvil, híbridos y de óptica voladora. Se refieren a la forma en que se mueve el rayo láser sobre el material a cortar o procesar. Para todos estos, los ejes de movimiento suelen denominarse ejes X e Y. Si el cabezal de corte se puede controlar, se denomina 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 ópticas 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 el cabezal a lo largo del eje más corto (Y). Esto da como resultado una longitud de trayectoria de entrega del haz más constante que la de una máquina óptica volante y puede permitir un sistema de entrega del 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 ópticas voladoras.
Los láseres de óptica voladora cuentan con una mesa estacionaria 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 volante 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 al variar el 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. [dieciséis]
Las máquinas ópticas voladoras deben utilizar 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 formadas. Además, existen varios métodos para orientar el rayo láser hacia una pieza de trabajo con forma, mantener una distancia de enfoque y una distancia de boquilla adecuadas, etc.
Los láseres pulsados que proporcionan una ráfaga de energía de alta potencia durante un corto período son muy efectivos en algunos procesos de corte por láser, particularmente para perforación, 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 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. Básicamente, el primer pulso elimina el material de la superficie y el segundo evita que el material eyectado se adhiera al costado del orificio o corte. [17]
La principal desventaja del corte por láser es el elevado consumo de energía. La eficiencia del láser industrial puede oscilar entre el 5% y el 45%. [18] 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 qué tan bien se adapta el láser al trabajo en cuestión. La cantidad de potencia de corte por láser necesaria, conocida como aporte de calor , para un trabajo particular depende del tipo de material, el espesor, el proceso (reactivo/inerte) utilizado y la velocidad de corte deseada.
La velocidad máxima de corte (tasa de producción) está limitada por una serie de factores que incluyen 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 metal de acero al carbono de 0,51 a 13 mm de espesor. Para muchos propósitos, un láser puede ser hasta treinta veces más rápido que un aserrado estándar. [20]
