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Corte por láser

Corte por láser.
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Proceso para corte de metales que utiliza tecnología láser.
Corte por láser o maquinado por haz de láser (LBM, por sus siglas en inglés)consiste en la focalización del haz láser en un punto del material que se desea tratar, para que éste funda y evapore lográndose así el corte.

Etimología

La palabra “láser” proviene del inglés “laser” (que deberiamos pronunciar como ”léiser”), y es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ("Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación").

Detrás de semejante definición, se esconde el hecho de que un rayo láser es ni mas ni menos que un dispositivo que utiliza uno de los efectos de mecánica cuántica, mas precisamente la emisión inducida o estimulada de partículas, para generar un haz de luz coherente de un medio adecuado y con el tamaño, la forma y la pureza que deseemos.

Origen del proceso

Existen diferentes tipos de rayo láser, utilizados para las más diversas actividades. Tenemos los modestísimos pero sumamente comunes (y útiles) diodos láser, que a pesar de su tamaño y consumo (son similares a un diodo LED) utilizados en lectores de CD, DVD, etc. hasta los láser industriales, basados en algún gas, capaces de cortar planchas de acero de varios milímetros de grosor a una velocidad de varios metros por minuto.

En 1916, Albert Einstein estableció los fundamentos para el desarrollo de los láseres y de sus predecesores, los máseres (que emiten microondas), utilizando la ley de radiación de Max Planck basada en los conceptos de emisión espontánea e inducida de radiación.

En 1928 Rudolf Landenburg informó haber obtenido la primera evidencia del fenómeno de emisión estimulada de radiación, aunque no pasó de ser una curiosidad de laboratorio, por lo que la teoría fue olvidada hasta después de la Segunda Guerra Mundial, cuando fue demostrada definitivamente por Willis Eugene Lamb y R. C. Rutherford.

Descripción del proceso

Etapas del proceso de corte con láser

El proceso consiste en la focalización del haz láser en un punto del material que se desea tratar, para que éste funda y evapore lográndose así el corte. El haz láser, con una determinada potencia procedente del generador y de un sistema de conducción (1) llegará al cabezal (2). Dentro de éste, un grupo óptico (3) se encarga de focalizar el haz con un diámetro determinado, sobre un punto de interés del material a tratar. El posicionamiento del punto focal del rayo respecto de la superficie que se desea cortar es un parámetro crítico. El proceso requiere de un gas de asistencia (4), que se aplica mediante la propia boquilla del cabezal, coaxial al propio rayo láser.

Aunque la aplicación mayoritaria del corte con láser se da en materiales metálicos, otro tipo de materiales como goma, vidrio, cuero, o madera son susceptibles de ser cortados con este método. En aplicaciones de corte láser de materiales metálicos debe tenerse en cuenta aspectos como calidad del material o posibles recubrimientos (aceite, óxido, pinturas, etc.) como condicionantes importantes del resultado final.

Aplicaciones

Entre las aplicaciones industriales del láser para procesado de materiales se calcula que en torno al 60% de la actividad está dedicada al corte. Una de las industrias que mayormente absorbe esta actividad es la industria del automóvil y la industria auxiliar del automóvil.

  • Herramienta necesaria en corte de preseries en el proceso de fabricación de troqueles cortantes.
  • Alternativa de coste aceptable al uso de troqueles cortantes. Se debe considerar esta aplicación únicamente en casos de series limitadas.
  • Corte rápido de paneles de carrocería para el automóvil.
  • Reduce el stock en series especiales posibilitando cortar opcionalmente. Es posible que el sector auxiliar suministre un tipo de pieza, que dependiendo de opciones de venta del vehículo podrá ser cortada o no en la cadena de producción de una manera opcional, por ejemplo justo en la etapa anterior al proceso de pintado.
  • Las células de corte son flexibles y reducidas y si incluyen un robot, adquieren todas las posibilidades de reprogramación y reutilización que introduce éste último.

Características del corte por láser

De entre todas las características genéricas del procesado láser, las que se exponen a continuación tienen un mayor protagonismo en el caso concreto del proceso industrial de corte de chapa.

Posibilidad de actuar sobre zonas de tamaño reducido

El diámetro del spot que incide sobre la superficie a cortar tiene un valor medio en torno a las tres décimas de milímetro. Esto acarrea la consecución de surcos de corte muy estrechos de dimensiones muy parecidas a las del propio spot o ligeramente superiores. Asimismo, las distorsiones que origina en el material son mínimas.

Accesibilidad

La posibilidad de transmitir el haz láser mediante fibra óptica hace que, montado un cabezal de corte en un robot antropomórfico, se pueda alcanzar cualquier orientación de corte dentro del campo de trabajo del robot

No contacto mecánico con la pieza

No se produce desgaste de la herramienta por contacto ya que el grupo óptico que enfoca el haz origina que en posición de trabajo exista una separación entre la boquilla de la que sale el rayo y la pieza.

Sistemas sofisticados

La programación se hace de una forma cómoda y precisa. Los dispositivos pueden incluir tablas de parámetros para cortar diferentes materiales. Es posible la automatización del proceso así como la comunicación de la máquina láser con otro tipo de dispositivos como CNC, centros de procesado, elementos de control de calidad, sistemas de gestión de errores y alarmas así como dispositivos de monitorización on-line de la máquina y del proceso láser.

La gran desventaja que presenta el corte de chapa por láser frente a otros procedimientos reside principalmente en el espesor máximo que se puede cortar. Otros procedimientos como el oxicorte, corte por plasma, electroerosión o corte por chorro de agua permiten cortar espesores mayores que el láser. Solamente el corte por punzonado tiene la limitación de cortar espesores menores que los que corta el láser.

Equipamiento

partes de un equipo de corte por láser

Se pueden definir los dispositivos para corte por láser como aquellos que son capaces de transmitir la energía que proporciona un generador hasta el material a tratar para realizar el proceso. Todos los sistemas láseres industriales cuentan con los siguientes elementos fundamentales:

Generador láser

Es el encargado de suministrar el haz láser con unas características (potencia, frecuencia, etc.) programadas.

Sistema de conducción del rayo y focalización final

Se encarga de trasmitir el rayo láser hasta el punto deseado del material a procesar.

Sistema de manipulación

Existen dos posibilidades, así como posibles combinaciones de ambas: Una posibilidad consiste en dejar la pieza fijada y mover el sistema de focalización y otra posibilidad sería la de fijar el cabezal láser y desplazar la pieza que se desea cortar.

Dispositivos de control, auxiliares y sensores

Los equipos de corte láser están provistos de un sistema de control que permite su programación. Así mismo, el proceso de corte puede ser monitorizado y supervisado por medio de sensores. La información obtenida se puede utilizar en sistemas de control, sistemas de inspección de calidad o para conocer el estado de la máquina láser entre otros.

Sistema de seguridad

Para evitar el riesgo que provoca la radiación láser o los materiales que se cortan.

Suministro de gas de proceso

El gas puede ser inerte para evitar oxidaciones o activo para catalizar el proceso. A su vez favorece la eliminación de material fundido, vapor y plasma de la zona de corte. Es típica la aparición de ciertas estrías o rugosidades en las superficies cortadas . La conjunción de todos estos factores, junto con otros como la velocidad relativa entre el cabezal y la pieza, producen una densidad de energía (con valores característicos en orden de magnitud de MW/cm2), que origina el corte para cada tipo de material.

Tipos de corte láser

En el proceso de corte láser podemos distinguir tres situaciones distintas:

  • Corte por sublimación láser: La alta intensidad del haz laser vaporiza el material directamente en el punto de trabajo. Luego, por lo general se usa un gas inerte para cortar, o sea, para expulsar el material y generar la ranura de corte. Esta situación la encontramos principalmente restringida al corte de sustancias no metálicas, como ser madera, papel, cerámica o plástico.
  • Corte por fusión láser: Aquí, el material fundido o derretido por el haz laser es expulsado por medio de nitrógeno, generando la ranura de corte. El nitrógeno es inyectado en la boquilla a alta presión (hasta 20 bar) y al salir de ella por una pequeña perforación de la punta, se convierte en un chorro de alta energía cinética. La fusión laser es particularmente utilizada en el corte de aceros cromo-níquel o aluminio libre de óxido, produciendo superficies de corte metalúrgicamente limpias.
  • Corte por quemado láser: El haz de láser calienta el material hasta su temperatura de encendido. Aquí se usa oxígeno como gas de corte. Después de alcanzada la temperatura de encendido, el material “se quema” con un chorro de oxígeno, generando una reacción exotérmica. La escoria producida es expulsada por medio del gas de corte generando la ranura de corte. Este proceso es particularmente utilizado para el corte de aceros dulces y en menor escala para cortes de acero inoxidable.

Enlases externos

Fuentes

  • Millán Gómez, Simón (2006). Procedimientos de Mecanizado. Madrid: Editorial Paraninfo. ISBN 84-9732-428-5.
  • Rosado Castellano, Pedro (1993). Procesos de mecanizado. Valencia: Universidad Politécnica de Valencia.
  • Hernández, Germán. “Manual del soldador”. Madrid: M-44.384, 2007.