Mecanizado por haz láser

El mecanizado por haz láser ( LBM ) es una forma de mecanizado que utiliza el calor generado por un haz láser . Este proceso emplea energía térmica para eliminar material de superficies metálicas o no metálicas. La luz monocromática de alta frecuencia incide sobre la superficie, calentando, fundiendo y vaporizando el material debido al impacto de los fotones (véase explosión de Coulomb ). ^{[ 1 ]} El mecanizado por haz láser es especialmente adecuado para materiales frágiles con baja conductividad , pero puede utilizarse en la mayoría de los materiales. ^{[ 2 ]}

El mecanizado por láser se puede realizar sobre vidrio sin fundir la superficie. En el caso del vidrio fotosensible , el láser altera la estructura química del vidrio, lo que permite su grabado selectivo . Este tipo de vidrio también se conoce como vidrio fotomecanizable. La ventaja del vidrio fotomecanizable es que permite crear paredes verticales precisas, y el vidrio nativo es adecuado para numerosas aplicaciones biológicas, como sustratos para análisis genéticos.

Hay muchos tipos diferentes de láseres, incluidos los láseres de gas, los láseres de estado sólido y los láseres de excímeros . ^{[ 3 ]}

Algunos de los gases más utilizados son: láser de He-Ne , Ar y dióxido de carbono .

Los láseres de estado sólido se diseñan mediante la incorporación de un elemento raro en diversos materiales anfitriones. A diferencia de los láseres de gas, los láseres de estado sólido se bombean ópticamente mediante lámparas de destello o lámparas de arco. El rubí es uno de los materiales anfitriones más utilizados en este tipo de láser. ^{[ 3 ]} Un láser de rubí es un tipo de láser de estado sólido cuyo medio láser es un cristal de rubí sintético. La varilla de rubí sintético se bombea ópticamente mediante un tubo de destello de xenón antes de utilizarse como medio láser activo. ^{[ 4 ]}

YAG es la abreviatura de granate de itrio y aluminio, que son cristales que se utilizan para láseres de estado sólido, mientras que Nd:YAG se refiere a cristales de granate de itrio y aluminio dopados con neodimio que se utilizan en los láseres de estado sólido como medio láser.

Los láseres YAG emiten ondas de luz de alta energía. El Nd:vidrio es un medio de ganancia dopado con neodimio, compuesto de materiales de silicato o fosfato, que se utiliza en láseres de fibra .

La profundidad de corte de un láser es directamente proporcional al cociente que se obtiene al dividir la potencia del haz láser entre el producto de la velocidad de corte y el diámetro del punto del haz láser.

${\displaystyle t\propto {\frac {P}{vd}},}$

donde t es la profundidad de corte, P es la potencia del haz láser, v es la velocidad de corte y d es el diámetro del punto del haz láser. ^{[ 5 ]}

La profundidad del corte también depende del material de la pieza. La reflectividad, la densidad, el calor específico y el punto de fusión del material influyen en la capacidad del láser para cortar la pieza.

La siguiente tabla ^{[ 6 ]} muestra la capacidad de diferentes láseres para cortar diferentes materiales:

Los láseres se pueden utilizar para soldadura , revestimiento, marcado, tratamiento de superficies, perforación y corte, entre otros procesos de fabricación. Se emplean en las industrias automotriz, naval, aeroespacial, siderúrgica, electrónica y médica para el mecanizado de precisión de piezas complejas.

La soldadura láser ofrece la ventaja de poder soldar a velocidades de hasta 100  mm/s y de poder soldar metales diferentes. El revestimiento láser se utiliza para recubrir piezas baratas o débiles con un material más duro, mejorando así la calidad de la superficie. El taladrado y el corte con láser presentan la ventaja de que el desgaste de la herramienta de corte es mínimo o nulo, ya que no hay contacto que pueda dañarla.

El fresado con láser es un proceso tridimensional que requiere dos láseres, pero reduce drásticamente los costos de mecanizado de piezas. ^{[ 2 ] [ 7 ]} Los láseres se pueden utilizar para cambiar las propiedades superficiales de una pieza de trabajo.

La aplicación del mecanizado por láser varía según la industria. En la industria ligera, la máquina se utiliza para grabar y taladrar otros metales. En la industria electrónica, se emplea para pelar cables y cortar circuitos. En la industria médica, se utiliza para cirugía estética y depilación. ^{[ 2 ]}

1. Dado que los rayos de un haz láser son monocromáticos y paralelos (es decir, con emitancia cero ), se puede enfocar a un diámetro pequeño y producir hasta 100 MW de potencia por milímetro cuadrado de superficie.
2. El mecanizado por rayo láser tiene la capacidad de grabar o cortar prácticamente cualquier material, donde los métodos de corte tradicionales pueden resultar insuficientes.
3. Existen varios tipos de láseres, y cada uno tiene usos diferentes.
4. El costo de mantenimiento de los láseres es moderadamente bajo debido a la baja tasa de desgaste, ya que no hay contacto físico entre la herramienta y la pieza de trabajo. ^{[ 3 ]}
5. El mecanizado realizado con haces láser es de alta precisión, y la mayoría de estos procesos no requieren acabado adicional. ^{[ 3 ]}
6. Los haces láser se pueden combinar con gases para ayudar a que el proceso de corte sea más eficiente, minimizar la oxidación de las superficies y/o mantener la superficie de la pieza de trabajo libre de material fundido o vaporizado.

1. El costo inicial de adquirir un rayo láser es moderadamente alto. Existen muchos accesorios que facilitan el proceso de mecanizado, y dado que la mayoría de estos accesorios son tan importantes como el propio rayo láser, el costo inicial del mecanizado aumenta aún más. ^{[ 3 ]}
2. El manejo y mantenimiento del mecanizado requiere personal altamente capacitado. El funcionamiento del rayo láser es relativamente técnico, y puede requerirse la asistencia de un experto. ^{[ 3 ]}
3. Los haces láser no están diseñados para producir procesos de metalurgia en masa.
4. El mecanizado por rayo láser consume mucha energía.
5. Los cortes profundos son difíciles de realizar con piezas de trabajo que tienen puntos de fusión altos y, por lo general, provocan una conicidad.

• Corte láser
• calidad del haz láser

• Paulo, Davim (2013). Procesos de mecanizado no tradicionales: avances en la investigación . Springer. ISBN 978-1447151784.
• Amitabh Ghosh; Asok Kumar Mallik (2010). «Procesos de mecanizado no convencionales». Ciencia de la fabricación (2.ª  ed.). East-west press. pp. 396–403 . ISBN  978-81-7671-063-3.