Corte láser

El corte láser es una tecnología que utiliza un láser para vaporizar materiales, lo que da como resultado un borde cortado. Si bien se usa típicamente para aplicaciones de fabricación industrial, ahora también se usa en escuelas, pequeñas empresas, arquitectura y por aficionados. El corte láser funciona dirigiendo la salida de un láser de alta potencia, generalmente a través de un sistema óptico. La óptica láser y el control numérico computarizado ( CNC ) se utilizan para dirigir el haz láser hacia el 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 haz láser enfocado se dirige al material, que luego se funde, se quema, se vaporiza o se elimina mediante un chorro de gas, ^{[ 1 ]} dejando un borde con un acabado superficial de alta calidad. ^{[ 2 ]} Empresas como ACCURL fabrican máquinas de corte láser de fibra y equipos relacionados para chapa metálica utilizados en la fabricación industrial. ^{[ 3 ]}

En 1965, se utilizó la primera máquina de corte láser de producción para perforar agujeros en matrices de diamante . Esta máquina fue fabricada por el Western Electric Engineering Research Center . ^{[ 4 ]} En 1967, los británicos fueron pioneros en el corte de metales mediante chorro de oxígeno asistido por láser. ^{[ 5 ]} 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 como para superar la conductividad térmica de los metales. ^{[ 6 ]}

El haz láser se enfoca generalmente 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 suele tener menos de 0,0125 pulgadas (0,32 mm) de diámetro. Dependiendo del grosor del material, es posible obtener anchos de corte de tan solo 0,004 pulgadas (0,10 mm) . ^{[ 7 ]} Para poder comenzar el corte desde un punto distinto al borde, se realiza una perforación antes de cada corte. La perforación suele implicar un haz láser pulsado de alta potencia que crea lentamente un orificio en el material, tardando entre 5 y 15 segundos para acero inoxidable de 0,5 pulgadas (13 mm) de grosor , por ejemplo. Esto evita daños en el borde de corte o un ancho de corte inconsistente.   

Los rayos paralelos de luz coherente de la fuente láser suelen tener un diámetro de entre 0,06 y 0,08 pulgadas (1,5 y 2,0 mm) . Este haz se enfoca e intensifica normalmente mediante una lente o un espejo hasta un punto muy pequeño de aproximadamente 0,001 pulgadas (0,025 mm) para crear un haz láser muy intenso. Para lograr el acabado más liso posible durante el corte de contornos, la dirección de polarización del haz debe rotarse a medida que recorre la periferia de la pieza. Para el corte de chapa metálica, la distancia focal suele ser de 1,5 a 3 pulgadas (38 a 76 mm) . ^{[ 8 ] [ 9 ]}   

La potencia incidente del haz láser se divide, a grandes rasgos, en una parte reflejada, una parte transmitida y una parte absorbida. Dado que la parte transmitida puede despreciarse en la mayoría de los casos, la absortividad y la reflectividad del láser incidente con respecto al material de trabajo se consideran más relevantes. Para láseres de polarización lineal, se observa una diferencia entre la absortividad del láser de polarización p y s, donde la relación entre la intensidad de absorción de la polarización paralela y perpendicular aumenta con el ángulo de incidencia hasta alcanzar los 80° o incluso más. Sin embargo, la intensidad de absorción de ambas polarizaciones, paralela y perpendicular, disminuye individualmente al aumentar el ángulo de incidencia. ^{[ 10 ]}

Las ventajas del corte por láser sobre el corte mecánico incluyen una sujeción más sencilla de la pieza y una menor contaminación (ya que no hay filo de corte que pueda contaminarse con el material o contaminarlo). La precisión puede ser mayor, puesto que el haz láser no se desgasta durante el proceso. Además, se reduce la probabilidad de deformación del material que se está cortando, dado que los sistemas láser tienen una zona afectada por el calor pequeña . ^{[ 11 ]} Algunos materiales también son muy difíciles o imposibles de cortar con métodos más tradicionales. ^{[ 12 ]}

El corte láser de metales tiene la ventaja sobre el corte por plasma de ser más preciso ^{[ 13 ]} y consumir menos energía al cortar chapa metálica; sin embargo, la mayoría de los láseres industriales no pueden cortar el mayor espesor de metal que sí puede cortar el plasma. Las máquinas láser más modernas, que operan a mayor potencia (6000 vatios, en comparación con los 1500 vatios de las primeras máquinas de corte láser), se están acercando a las máquinas de plasma en su capacidad para cortar materiales gruesos, pero el coste de capital de dichas máquinas es mucho mayor que el de las máquinas de corte por plasma capaces de cortar materiales gruesos como la chapa de acero. ^{[ 14 ]}

Existen tres tipos principales de láseres utilizados en el corte láser. El láser _de CO₂ es adecuado para cortar, taladrar y grabar. Los láseres de neodimio (Nd) y de neodimio -itrio-aluminio-granate ( Nd:YAG ) son idénticos en estilo y se diferencian únicamente en su aplicación. El Nd se utiliza para taladrar y donde se requiere alta energía pero baja frecuencia de repetición. El láser Nd:YAG se utiliza donde se necesita muy alta potencia y para taladrar y grabar. Tanto los láseres _de CO₂ como los de Nd/Nd:YAG pueden utilizarse para soldar . ^{[ 15 ]} Se han desarrollado diodos láser experimentales que tienen la potencia suficiente para reemplazar algunos láseres de CO₂. ^{[ 16 ]}

_{Los láseres de} CO₂ se suelen "bombear" haciendo pasar una corriente a través de la mezcla de gases (excitación CC) o utilizando energía de radiofrecuencia (excitación RF). El método RF es más reciente y se ha vuelto más popular. Dado que los diseños CC requieren electrodos dentro de la cavidad, pueden sufrir erosión de los electrodos y deposición de material de electrodo en el vidrio y la óptica . Como los resonadores RF tienen electrodos externos, no son propensos a estos 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 marcar metales y cerámica.

Además de la fuente de alimentación, el tipo de flujo de gas también puede afectar el rendimiento. Las variantes comunes de láseres _de CO₂ incluyen flujo axial rápido, flujo axial lento, flujo transversal y de 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 circulan la mezcla de gas a menor velocidad, lo que requiere un soplador más sencillo. Los resonadores de placa o refrigerados por difusión tienen un campo de gas estático que no requiere presurización ni cristalería, lo que supone un ahorro en turbinas y cristalería de repuesto. El gas también se conoce como gas auxiliar y se utiliza para eliminar el metal fundido de la zona de corte. El oxígeno o el argón son ejemplos de dichos gases. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

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 disiparse mediante un refrigerante o directamente al aire. El agua es un refrigerante de uso común, que generalmente circula a través de un sistema de refrigeración o 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. Se utiliza para realizar funciones de corte láser, empleando el chorro de agua para guiar el haz láser, de forma similar a una fibra óptica, mediante reflexión interna total. Entre las ventajas de este sistema se encuentran la eliminación de residuos y el enfriamiento del material por parte del agua. Otras ventajas con respecto al corte láser tradicional en seco son la alta velocidad de corte, el corte paralelo y el corte omnidireccional. ^{[ 19 ]}

Los láseres de fibra son un tipo de láser de estado sólido que está experimentando un rápido crecimiento en 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 un líquido. El láser semilla produce el haz láser, que luego se amplifica dentro de una fibra de vidrio. Con una longitud de onda de tan solo 1064 nanómetros, los láseres de fibra producen un punto extremadamente pequeño (hasta 100 veces menor que el del CO₂ ₎ , lo que los hace ideales para cortar materiales metálicos reflectantes. Esta es una de las principales ventajas de la fibra frente al _CO₂ .

Entre las ventajas de la cortadora láser de fibra se incluyen:

• Tiempos de procesamiento rápidos.
• Menor consumo de energía y facturas más bajas gracias a una mayor eficiencia.
• Mayor fiabilidad y rendimiento: no hay que ajustar ni alinear la óptica ni reemplazar las lámparas.
• Mantenimiento mínimo.
• La capacidad de procesar materiales altamente reflectantes como el cobre y el latón.
• Mayor productividad: menores costos operativos ofrecen un mayor retorno de su inversión. ^{[ 20 ]}

Existen diversos métodos de corte por láser, y cada tipo se utiliza para cortar distintos materiales. Algunos de estos métodos son la vaporización, la fusión y soplado, la fusión, soplado y quemado, el agrietamiento por tensión térmica, el rayado, el corte en frío y el corte por láser estabilizado por combustión.

Las cortadoras láser tienen una precisión de posicionamiento de 10 micrómetros y una repetibilidad de 5 micrómetros.

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 láser de 800 W, la rugosidad estándar Rz es de 10  μm para un espesor de lámina 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:${\displaystyle S=}$Espesor de la chapa de acero en mm;${\displaystyle P=}$Potencia del láser en kW (algunas cortadoras láser nuevas tienen una potencia de láser de 4  kW);${\displaystyle V=}$Velocidad de corte en metros por minuto. ^{[ 21 ]}

Este proceso permite mantener tolerancias muy ajustadas , a menudo dentro de 0,001  pulgadas (0,025  mm). La geometría de la pieza y la robustez mecánica de la máquina influyen considerablemente en la capacidad de tolerancia. El acabado superficial típico resultante del corte por láser puede variar entre 125 y 250 micropulgadas (0,003  mm a 0,006  mm). ^{[ 15 ]}

Generalmente, existen tres configuraciones diferentes de máquinas de corte láser industriales: de material móvil, híbridas y de óptica móvil. Estas configuraciones se refieren a la forma en que el haz láser se desplaza sobre el material a cortar o procesar. En todas ellas, los ejes de movimiento se denominan normalmente eje X e Y. Si el cabezal de corte es controlable, se designa como eje Z.

Los láseres de material móvil cuentan con un cabezal de corte fijo que desplaza el material bajo él. Este método proporciona una distancia constante entre el generador láser y la pieza de trabajo, y un único punto para la eliminación de los residuos de corte. Requiere menos componentes ópticos, pero implica el movimiento de la pieza. Este tipo de máquina suele tener la menor cantidad de componentes ópticos de transmisión del haz, pero también suele ser la más lenta.

Los láseres híbridos cuentan con una mesa que se desplaza en un eje (generalmente el eje X) y mueve el cabezal a lo largo del eje Y. Esto resulta en una trayectoria de haz más constante que la de un sistema de óptica móvil y puede permitir un sistema de transmisión más sencillo. Esto puede traducirse en una menor pérdida de potencia en el sistema de transmisión y una mayor capacidad por vatio que los sistemas de óptica móvil.

Las máquinas láser de óptica móvil cuentan con una mesa fija y un cabezal de corte (con un rayo láser) que se desplaza sobre la pieza de trabajo en ambas dimensiones horizontales. Estas máquinas mantienen la pieza de trabajo inmóvil durante el proceso y, a menudo, no requieren sujeción del material. La masa móvil es constante, por lo que la dinámica no se ve afectada por la variación del tamaño de la pieza. Las máquinas de óptica móvil son las más rápidas, lo que resulta ventajoso al cortar piezas de trabajo delgadas. ^{[ 22 ]}

Las máquinas de óptica móvil deben emplear algún método para compensar la variación de la longitud del haz entre el campo cercano (próximo al resonador) y el campo lejano (alejado 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 conformadas. Además, existen diversos métodos para orientar el rayo láser hacia la pieza, manteniendo una distancia focal y una separación de la boquilla adecuadas.

Un factor importante en el corte por láser es el alto consumo de energía. La eficiencia de los láseres también varía según la tecnología y el material que se corta: los láseres de CO₂ _tienen una eficiencia del 5 al 10 %, los láseres de fibra del 20 al 30 %, y los de diodo directo del 30 al 40 % para el corte de chapa metálica. ^{[ 24 ]}

El consumo de energía y la eficiencia de un láser varían según la potencia de salida y los parámetros de funcionamiento. Esto depende del tipo de láser y de su idoneidad para el trabajo a realizar. La potencia de corte láser necesaria, conocida como aporte térmico , para un trabajo específico depende del tipo de material, su grosor, el proceso (reactivo/inerte) utilizado y la velocidad de corte deseada.

La velocidad máxima de corte (tasa de producción) está limitada por varios factores, como 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 con un espesor de entre 0,51 y 13 mm . Para muchos fines, un láser puede ser hasta treinta veces más rápido que el aserrado convencional. ^{[ 26 ]}

• Bromberg, Joan Lisa (1991). El láser en Estados Unidos, 1950-1970 . MIT Press. ISBN 978-0-262-02318-4.
• Oberg, Erik; Jones, Franklin D. (2004). Manual de maquinaria: Libro de referencia para el ingeniero mecánico, diseñador, ingeniero de fabricación, dibujante, fabricante de herramientas y maquinista . Industrial Press. 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 978-0-8311-3049-7.