El corte por láser es una tecnología que utiliza un láser para cortar materiales. Si bien se usa generalmente para aplicaciones de fabricación industrial, está comenzando a ser utilizado por escuelas, pequeñas empresas 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 material o el rayo láser generado. Un láser comercial para cortar materiales utiliza un sistema de control de movimiento para seguir un código CNC o G del patrón que se cortará en el material. El rayo láser enfocado se dirige al material, que luego se derrite, se quema, se evapora o es arrastrado por un chorro de gas.[1] dejando un borde con un acabado superficial de alta calidad. [2]
Historia [ editar ]
En 1965, se utilizó la primera máquina de corte por láser de producción para perforar orificios en matrices de diamante . Esta máquina fue fabricada por el Centro de Investigación de Ingeniería de Western Electric . [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 CO
2Los láseres se adaptaron para cortar no metales, como textiles , porque, en ese momento, el CO
2los láseres no eran lo suficientemente potentes para superar la conductividad térmica de los metales. [5]
Proceso [ editar ]
La generación del rayo láser implica estimular un material láser mediante descargas eléctricas o lámparas dentro de un contenedor cerrado. A medida que se estimula el material láser, el haz se refleja internamente por medio de un espejo parcial, hasta que alcanza la energía suficiente para escapar como una corriente de luz coherente monocromática. Los espejos o la fibra óptica se utilizan típicamente para dirigir la luz coherente a una lente, que enfoca la luz en la zona de trabajo. 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 comenzar a cortar desde algún lugar que no sea el borde, se realiza una perforación antes de cada corte. La perforación usualmente involucra un rayo láser pulsado de alta potencia que lentamente hace un agujero en el material, tomando alrededor de 5 a 15 segundos para acero inoxidable de 0.5 pulgadas de espesor (13 mm) , 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 hasta 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, la dirección de polarización del haz debe rotarse 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 un agarre más fácil y una menor contaminación de la pieza de trabajo (ya que no hay un borde de corte 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 hay una posibilidad reducida 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 por medios más tradicionales.
El corte por láser para metales tiene las ventajas 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 de metal que el plasma. Las máquinas láser más nuevas que operan a mayor potencia (6000 vatios, en contraste con las clasificaciones de 1500 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 tales máquinas es mucho más alto que el del plasma. máquinas de corte capaces de cortar materiales gruesos como chapa de acero. [10]
Tipos [ editar ]
2 Cortador láser
Hay tres tipos principales de láseres que se utilizan en el corte por láser. El CO2El láser es adecuado para cortar, taladrar y grabar. Los láseres de neodimio (Nd) y neodimio itrio-aluminio-granate ( Nd: YAG ) son idénticos en estilo y solo difieren en la aplicación. Nd se usa para aburridos y donde se requiere mucha energía pero poca repetición. El láser Nd: YAG se utiliza donde se necesita una potencia muy alta y para taladrar y grabar. Ambos CO
2y los láseres Nd / Nd: YAG se pueden utilizar para soldar . [11]
CO
2Los láseres comúnmente se "bombean" pasando una corriente a través de la mezcla de gases (excitado por CC) o utilizando energía de radiofrecuencia (excitado por RF). El método de RF es más nuevo y se ha vuelto más popular. Dado que los diseños de CC requieren electrodos dentro de la cavidad, pueden encontrar erosión del electrodo y recubrimiento del material del electrodo en la cristalería y la óptica . Dado que los resonadores de RF tienen electrodos externos, no son propensos a estos problemas.CO
2Los láseres 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 cerámica. [12]
Además de la fuente de energía, el tipo de flujo de gas también puede afectar el rendimiento. Variantes comunes de CO
2los láseres 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 se hace circular a alta velocidad mediante una turbina o soplador. Los láseres de flujo transversal hacen circular la mezcla de gases a menor velocidad, lo que requiere un ventilador más simple. Los resonadores refrigerados por losa o por difusión tienen un campo de gas estático que no requiere presurización ni cristalería, lo que genera ahorros en turbinas y cristalería de repuesto.
El generador de láser y la óptica externa (incluida la lente de enfoque) requieren enfriamiento. Dependiendo del tamaño y la configuración del sistema, el calor residual puede ser transferido por un refrigerante o directamente al aire. El agua es un refrigerante de uso común, generalmente circula a través de un enfriador o sistema de transferencia de calor.
Un microjet 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. Esto se utiliza para realizar funciones de corte por láser mientras se usa el chorro de agua para guiar el rayo láser, al igual que una fibra óptica, a través de la reflexión interna total. Las ventajas de esto son que el agua también elimina los desechos y enfría el material. Las ventajas adicionales más de corte por láser tradicional "seco" son altas velocidades de corte en dados, paralelo ranura de corte , y de corte omnidireccional. [13]
Los láseres de fibra son un tipo de láser de estado sólido que está creciendo rápidamente en la industria del corte de metales. A diferencia del CO
2La tecnología de fibra utiliza un medio de ganancia sólido, a diferencia de un gas o líquido. El "láser semilla" produce el rayo láser y luego se amplifica dentro de una fibra de vidrio. Con una longitud de onda de solo 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 lo hace ideal para cortar material metálico reflectante. Esta es una de las principales ventajas de la fibra frente al CO
2. [14]
Los beneficios del cortador láser de fibra incluyen: -
- Tiempos de procesamiento rápidos.
- Reducción del consumo de energía y de las facturas gracias a una mayor eficiencia.
- Mayor confiabilidad y rendimiento: sin ópticas que ajustar o alinear y sin lámparas que reemplazar.
- Mínimo mantenimiento.
- Mayor productividad: los costos operativos más bajos ofrecen un mayor retorno de su inversión. [15]
Métodos [ editar ]
Hay muchos métodos diferentes para cortar con láser, y se utilizan diferentes tipos para cortar diferentes materiales. Algunos de los métodos son vaporización, fundido y soplado, fundido soplado y quemado, agrietamiento por tensión térmica, trazado, corte en frío y corte por láser estabilizado por combustión.
Corte por vaporización [ editar ]
En el corte de vaporización, el rayo enfocado calienta la superficie del material hasta el punto de inflamación y genera un ojo de cerradura. El ojo de la cerradura conduce a un aumento repentino de la absortividad que profundiza rápidamente el agujero. A medida que el agujero se profundiza y el material hierve, el vapor generado erosiona las paredes fundidas, expulsando las eyecciones y agrandando aún más el agujero. El material que no se derrite, como la madera, el carbón y los plásticos termoendurecibles, se suelen cortar con este método.
Derretir y soplar [ editar ]
El corte por fusión y soplado utiliza gas a alta presión para soplar el material fundido del área de corte, lo que reduce en gran medida el requisito de potencia. Primero, el material se calienta hasta el punto de fusión, luego un chorro de gas expulsa el material fundido de la ranura evitando la necesidad de elevar más la temperatura del material. Los materiales cortados con este proceso suelen ser metales.
Agrietamiento por tensión térmica [ editar ]
Los materiales frágiles son particularmente sensibles a la fractura térmica, una característica que se explota en el agrietamiento por tensión térmica. Un rayo se enfoca en la superficie provocando un calentamiento localizado y una expansión térmica. Esto da como resultado una grieta que luego se puede guiar moviendo la viga. La grieta se puede mover en el orden de m / s. Suele utilizarse en el corte de vidrio.
Corte sigiloso de obleas de silicio [ editar ]
La separación de chips microelectrónicos preparados en la fabricación de dispositivos semiconductores a partir de obleas de silicio se puede realizar mediante el llamado proceso de corte sigiloso, que opera con un láser Nd: YAG pulsado , cuya longitud de onda (1064 nm) está bien adaptada a la electrónica. banda prohibida de silicio (1,11 eV o 1117 nm).
Corte reactivo [ editar ]
También llamado "corte de gas láser estabilizado por combustión", "corte con llama". 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 en espesores superiores a 1 mm. Este proceso se puede utilizar para cortar placas de acero muy gruesas con relativamente poca potencia láser.
Tolerancias y acabado superficial [ editar ]
Las cortadoras láser tienen una precisión de posicionamiento de 10 micrómetros y una repetibilidad de 5 micrómetros. [ cita requerida ]
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 un espesor de hoja de 1 mm, 20 μm para 3 mm y 25 μm para 6 mm.
Donde: espesor de la chapa de acero en mm; potencia láser en kW (algunas cortadoras láser nuevas tienen una potencia láser de 4 kW); velocidad de corte en metros por minuto. [dieciséis]
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 de superficie típico resultante del corte con rayo láser puede variar de 125 a 250 micropulgadas (0,003 mm a 0,006 mm). [11]
Configuraciones de la máquina [ editar ]
En general, hay tres configuraciones diferentes de máquinas de corte por láser industriales: material en movimiento, híbrido y sistemas ópticos voladores. Se refieren a la forma en que el rayo láser se mueve sobre el material a cortar o procesar. Para todos estos, los ejes de movimiento normalmente se designan X e Y eje . Si se puede controlar el cabezal de corte, se designa como eje Z.
Los láseres de material en movimiento tienen un cabezal de corte fijo y mueven el material debajo de él. Este método proporciona una distancia constante desde el generador de láser a la pieza de trabajo y un solo punto desde el cual eliminar el efluente del corte. Requiere menos ópticas, pero requiere mover la pieza de trabajo. Este estilo de máquina tiende a tener la menor cantidad de ópticas de emisión 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 la cabeza a lo largo del eje más corto (Y). Esto da como resultado una longitud de trayectoria de suministro de haz más constante que una máquina óptica volante y puede permitir un sistema de suministro de haz más simple. Esto puede resultar en una reducción de la pérdida de energía en el sistema de suministro y una mayor capacidad por vatio que las máquinas ópticas voladoras.
Los láseres de óptica voladora cuentan con una mesa fija y un cabezal de corte (con rayo láser) que se mueve sobre la pieza de trabajo en ambas dimensiones horizontales. Los cortadores de ópticas voladoras mantienen la pieza de trabajo estacionaria durante el procesamiento y, a menudo, no requieren sujeción de material. La masa en movimiento es constante, por lo que la dinámica no se ve afectada por el tamaño variable de la pieza de trabajo. Las máquinas de óptica volante son el tipo más rápido, lo que resulta ventajoso para cortar piezas de trabajo más delgadas. [17]
Las máquinas ópticas voladoras deben utilizar algún método para tener en cuenta la longitud cambiante 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 colimación, óptica adaptativa o el uso de un eje de longitud de haz constante.
Las máquinas de cinco y seis ejes también permiten cortar piezas de trabajo conformadas. Además, existen varios métodos para orientar el rayo láser hacia una pieza de trabajo con forma, manteniendo una distancia de enfoque adecuada y una separación de la boquilla, etc.
Pulsando [ editar ]
Los láseres pulsados que proporcionan una ráfaga de energía de alta potencia durante un período corto son muy efectivos en algunos procesos de corte por láser, particularmente para perforar, o cuando se requieren orificios muy pequeños o velocidades de corte muy bajas, ya que si se usara un rayo láser constante, el calor podría llegar a 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. Esencialmente, el primer pulso elimina material de la superficie y el segundo evita que la eyección se adhiera al lado del orificio o corte. [18]
Consumo de energía [ editar ]
La principal desventaja del corte por láser es el alto consumo de energía. La eficiencia del láser industrial puede oscilar entre el 5% y el 45%. [19] 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 láser requerida, conocida como entrada de calor , para un trabajo en particular depende del tipo de material, el espesor, el proceso (reactivo / inerte) utilizado y la velocidad de corte deseada.
| Material | Espesor del material | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 0,51 milímetros | 1,0 mm | 2,0 mm | 3,2 milímetros | 6,4 milímetros | |
| Acero inoxidable | 1000 | 1000 | 1000 | 1500 | 2500 |
| Aluminio | 1000 | 1000 | 1000 | 3800 | 10000 |
| Acero dulce | - | 400 | - | 500 | - |
| Titanio | 250 | 210 | 210 | - | - |
| Madera contrachapada | - | - | - | - | 650 |
| Boro / epoxi | - | - | - | 3000 | - |
Tasas de producción y corte [ editar ]
La velocidad máxima de corte (velocidad de producción) está limitada por una serie de factores que incluyen la potencia del láser, el grosor del material, el tipo de proceso (reactivo o inerte) y las propiedades del material. Los sistemas industriales comunes (≥1 kW) cortarán 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 el aserrado estándar. [21]
| Material de la pieza | Espesor del material | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0,51 milímetros | 1,0 mm | 2,0 mm | 3,2 milímetros | 6,4 milímetros | 13 mm | |
| Acero inoxidable | 42,3 | 23.28 | 13,76 | 7.83 | 3.4 | 0,76 |
| Aluminio | 33,87 | 14,82 | 6,35 | 4.23 | 1,69 | 1,27 |
| Acero dulce | - | 8,89 | 7.83 | 6,35 | 4.23 | 2.1 |
| Titanio | 12,7 | 12,7 | 4.23 | 3.4 | 2.5 | 1,7 |
| Madera contrachapada | - | - | - | - | 7,62 | 1,9 |
| Boro / epoxi | - | - | - | 2.5 | 2.5 | 1.1 |
Ver también [ editar ]
- Impresión 3d
- Ablación laser
- Conversión láser
- Perforación láser
- Grabado láser
- Mecanizado por rayo láser
- Calidad del rayo láser
- Lista de artículos láser
- Galvanómetro de espejo
- Cortador de chorro de agua
Referencias [ editar ]
- ^ Oberg, p. 1447.
- ↑ Thomas, Daniel J. (1 de febrero de 2013). "El efecto de los parámetros de corte por láser en la conformabilidad del acero de fase compleja" . Revista internacional de tecnología de fabricación avanzada . 64 (9): 1297-1311. doi : 10.1007 / s00170-012-4087-2 . ISSN 1433-3015 . S2CID 96472642 .
- ^ Bromberg 1991 , p. 202
- ^ Los primeros días del corte por láser, par PA Hilton, 11th Nordic Conference in Laser Processing of Materials, Lappeenranta, Finlandia, 20 al 22 de agosto de 2007, http://www.twi-global.com/technical-knowledge/published- papeles / primeros-dias-del-corte-laser-agosto-2007
- ^ CHEO, PK "Capítulo 2: CO
2 Láseres ". UC Berkeley. UC Berkeley, nd Web. 14 de enero de 2015. - ^ Todd, pág. 185.
- ^ Todd, pág. 188.
- ^ "Corte por láser - Procesos de corte" . www.twi-global.com . Consultado el 14 de septiembre de 2020 .
- ^ Daniel Tuấn, Hoàng (7 de octubre de 2020). "Gia công cắt laser trên kim loại với nhiều ưu điểm vượt trội" [ Corte láser para metales con muchas ventajas destacadas]. vietducmetal.vn (en vietnamita). Archivado desde el original el 4 de noviembre de 2020 . Consultado el 4 de noviembre de 2020 .
- ^ Happonen, A .; Stepanov, A .; Piili, H .; Salminen, A. (1 de enero de 2015). "Estudio de innovación para el corte por láser de geometrías complejas con materiales de papel" . Procedia de Física . 15ª Conferencia Nórdica de Procesamiento de Materiales Láser, Nolamp 15. 78 : 128-137. doi : 10.1016 / j.phpro.2015.11.025 . ISSN 1875-3892 .
- ^ a b Todd, pág. 186.
- ^ "¿Qué es el corte por láser? | Proceso de corte por láser" . www.cutlasercut.com . Consultado el 14 de septiembre de 2020 .
- ^ Perrottet, D et al., "El corte por láser-Microjet sin daños por calor logra la mayor resistencia a la rotura del troquel", Procesamiento de fotones en microelectrónica y fotónica IV , editado por J. Fieret, et al., Proc. SPIE Vol. 5713 (SPIE, Bellingham, WA, 2005)
- ^ "Comparación de la tecnología láser de fibra con el CO2- Boss Laser Blog " . Boss Laser Blog . 2017-05-22 . Consultado el 2018-04-24 .
- ^ Fisher, Adam. "Láseres de fibra" . Láseres CTR.
- ^ "Investigación sobre la rugosidad de la superficie por corte con láser por Miroslav Radovanovic y Predrag Dašić" (PDF) .
- ^ Caristan, Charles L. (2004). Guía de corte láser para fabricación . Sociedad de Ingenieros de Fabricación. ISBN 9780872636866.
- ^ Forsman, A; et al. (Junio de 2007). "Superpulse Un formato de pulso de nanosegundos para mejorar la perforación con láser" (PDF) . Espectros fotónicos . Consultado el 16 de junio de 2014 .
- ^ http://www.laserline.de/tl_files/Laserline/downloads/broschueren/en/Laserline_Image_high_power_diode_laser.pdf - Página 4: "Alta eficiencia eléctrica / óptica de hasta un 45%"
- ^ Todd, Allen y Alting 1994 , p. 188.
- ^ "Corte por láser" . Laserage . Consultado el 23 de agosto de 2016 .
Bibliografía [ editar ]
- Bromberg, Joan (1991). El láser en América, 1950-1970 . MIT Press. pag. 202. ISBN 978-0-262-02318-4.
- Oberg, Erik; Jones, Franklin D .; Horton, Holbrook L .; Ryffel, Henry H. (2004). Manual de maquinaria (27ª ed.). Nueva York, NY: Industrial Press Inc. 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 0-8311-3049-0.
- Corte por láser de fibra: la guía definitiva
- Corte por láser de luces apagadas
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