¿Qué es el Corte por Láser industrial?. Tipos y Aplicaciones
El corte por láser es un proceso de corte mecánico que utiliza un haz de láser para cortar materiales. El haz es generado por un láser y se dirige hacia el material a través de un sistema óptico. El material es cortado mediante la fusión del material en el punto de enfoque del haz de láser, y un sistema de gas, como el nitrógeno o el dióxido de carbono, es utilizado para empujar el material fundido fuera del área de corte.
Sumario:
- Cómo funciona el Corte por Láser
- Tipos de Corte por Láser
- Usos del Corte por Láser
- Ventajas del Corte por Láser
- Desventajas del Corte por Láser
- Materiales utilizados en el Corte por Láser
- Materiales que NO se deben cortar por láser
- Peligros del Corte por Láser
- Impacto ambiental del Corte por Láser
- Alternativas al Corte por Láser
Cómo funciona el Corte por Láser
El rayo láser se crea mediante la estimulación de materiales láser a través de descargas eléctricas o lámparas dentro de un contenedor cerrado. El material láser se amplifica al reflejarse internamente a través de un espejo parcial hasta que su energía es suficiente para que escape como una corriente de luz monocromática coherente. Esta luz es enfocada al área de trabajo por espejos o fibra óptica que dirigen el haz a través de una lente que lo intensifica.
En su punto más angosto, un rayo láser generalmente tiene menos de 0,0125 pulgadas (0,32 mm) de diámetro, pero son posibles anchos de corte tan pequeños como 0,004 pulgadas (0,10 mm) dependiendo del grosor del material.
Cuando el proceso de corte por láser debe comenzar en cualquier lugar que no sea el borde del material, se usa un proceso de perforación, mediante el cual un láser pulsado de alta potencia hace un agujero en el material. Dicho agujero tarda de 5 a 15 segundos en quemar a través de una pieza de 12 mm. -chapa de acero inoxidable, por ejemplo-.
Tipos de Corte por Láser
Láser Gas/CO²
Un láser de CO2 (dióxido de carbono) consta de un tubo con gas CO2, helio y nitrógeno encerrado en su interior. Se incluyen nitrógeno y helio para aumentar la eficiencia del láser. El nitrógeno actúa como un almacén temporal de energía que luego puede pasar a la molécula de CO2 tan pronto como libera un fotón. El helio, por otro lado, extrae cualquier energía restante de la molécula de CO2 a través de la transferencia de energía cinética después de haber liberado un fotón, lo que le permite aceptar la energía de la molécula de nitrógeno.
En un extremo del tubo hay un espejo totalmente reflectante. El espejo del otro extremo solo refleja parcialmente. El gas en el tubo es ionizado por un fuerte campo eléctrico que genera luz al excitar los electrones en las moléculas de CO2 a un estado de mayor energía, generando así un fotón. Cuando un fotón pasa cerca de un átomo en estado excitado, hace que ese átomo libere otro fotón. Estos fotones luego rebotan en los dos espejos hasta que haya suficientes fotones recolectados para pasar a través del espejo semirreflectante. La temperatura en el tubo debe mantenerse baja para una eficiencia óptima; como tal, el tubo se enfría con un gas o líquido a baja temperatura. En algunos sistemas, el gas se recicla para reducir los costes de funcionamiento.
Los láseres de CO2 tienen una longitud de onda de 10600 nm. y son buenos láseres de uso general que pueden cortar una amplia gama de materiales, así como láminas y placas de metal. Sin embargo, los láseres de CO2 tienen problemas con materiales con alta absorción térmica y materiales altamente reflectantes. Un material complicado de cortar por este tipo de láseres es el aluminio, por su alta capacidad reflexiva.
Láser de Fibra
Los láseres de fibra utilizan un cable de fibra óptica dosificado como medio para propagar el láser. Un rayo láser de fibra se genera bombeando fotones en un extremo de un filamento de fibra óptica con núcleo de vidrio de silicato de boro o cuarzo. Estos fotones viajan a lo largo del filamento de fibra óptica hasta llegar a la zona que ha sido dosificada con un elemento de tierras raras. Los elementos típicos incluyen neodimio, itrio, erbio o tulio.
Cada uno de estos elementos de tierras raras producirá un láser con una longitud de onda diferente cuando sea excitado por los fotones. Luego, la luz se amplifica haciendo uso de rejillas de bragg de fibra. Estas rejillas tienen la misma función que los espejos reflectantes y semirreflectantes utilizados en los láseres Nd:YAG y CO2 y reflejan la luz de un lado a otro provocando que se genere una cascada de fotones.
Una vez que la intensidad alcanza cierto punto, la luz puede pasar a través de la rejilla en forma de un haz de luz coherente de alta intensidad. Al igual que otros láseres, uno de de fibra también utiliza gas para ayudar a soplar material fundido fuera del camino del rayo láser o para ayudar con el corte.
La longitud de onda generalmente más corta de los láseres de fibra significa una mayor absorción, es decir, mejor para materiales reflectantes y genera menos calor durante el corte. Esta es la razón por la que los láseres de fibra son adecuados para cortar materiales reflectantes, así como los que absorben bien el calor, como el cobre o el oro.
La flexibilidad del cable de fibra óptica significa que un cabezal de corte de fibra se puede montar fácilmente en un brazo robótico de 6 ejes, por ejemplo, sin necesidad de varios espejos para dirigir el láser, como sería necesario para un láser de CO2 o Nd:YAG. Los láseres de fibra tienen una mayor eficiencia eléctrica en comparación con los láseres de CO2.
Láser Nd:YAG/Nd:YVO
Un láser Nd:YAG utiliza un cristal de granate de itrio y aluminio dopado con neodimio (Nd) (Y3Al5O12). El dopaje reemplaza algunos iones de itrio (+- 1 %) con iones Nd3+. Este cristal se coloca entre dos espejos, uno totalmente reflectante y otro semirreflectante.
La fuente de fotones de bombeo es un tubo de flash de xenón/criptón o una serie de diodos láser. En el caso de los cristales de Nd:YAG, la fuente de bombeo suministra fotones que elevan el nivel de energía de los iones de neodimio. Luego, los iones se descomponen para liberar una cascada de fotones que generan un rayo láser coherente después de reflejarse entre los espejos.
Una vez que se genera un haz de luz coherente de alta intensidad con una frecuencia de 1064 nm, se dirige al cabezal de corte usando espejos y finalmente se enfoca a un punto usando una lente dicho cabezal de corte.
Los láseres YVO utilizan cristales de vanadato dopados con neodimio (YVO4) y funcionan de la misma manera que los láseres Nd:YAG. Sin embargo, los láseres Nd:YVO tienen una estabilidad de potencia mejorada, no generan tanto calor y pueden producir más pulsos por segundo.
Los láseres Nd:YAG tienen una mejor calidad de haz y una mayor densidad de potencia en comparación con los láseres de fibra, lo que los hace ideales para marcar y grabar. Sin embargo, los láseres Nd:YAG tienen costos operativos mucho más altos y eficiencias energéticas de un solo dígito.
Usos del Corte por Láser
Las máquinas industriales de corte por láser emplean una tecnología de fabricación versátil que se utiliza en una variedad de aplicaciones, tal y como se indica a continuación:
- Corte de láminas de metal: las cortadoras láser se utilizan ampliamente para cortar láminas y placas en una amplia variedad de materiales, incluidos metales, plásticos y madera.
- Grabado: Las cortadoras láser se pueden utilizar para marcar casi cualquier material. Los láseres se pueden usar para agregar números de serie a las piezas fabricadas o para aplicaciones más artísticas, como el marcado de madera.
- Soldadura por láser: La soldadura por láser es un método utilizado para soldar con precisión dos metales o termoplásticos mediante un rayo láser en lugar de un arco eléctrico. No pertenece al corte por láser, pero es otra aplicación perfectamente integrada en esta tecnología.
- Corte de tubos: Las máquinas láser con eje de rotación se pueden utilizar para cortar perfiles complejos en secciones huecas.
Ventajas del Corte por Láser
El corte por láser es una tecnología de fabricación ampliamente adoptada. A continuación se enumeran algunas de las ventajas clave que hacen que las máquinas de corte por láser sean una tecnología de fabricación tan popular:
- Materiales versátiles: las cortadoras láser pueden procesar casi cualquier material. El grosor del material que se puede cortar con esta teconología depende en gran medida de la potencia del láser, la tecnología láser y el material que se corta.
- Procesamiento posterior limitado: las piezas cortadas con láser no requieren un procesamiento posterior significativo. Sin embargo, en algunos casos, como el corte de metal, es posible que sea necesario desbarbar los bordes cortados, ya que puede haber algo de escoria adherida al borde cortado. Es lo que se llama comúnmente como rebabas.
- Cortes angostos: los láseres se pueden enfocar en haces muy estrechos, lo que significa que los anchos de corte pueden ser muy delgados (tan pequeños como 0,1 mm) según el material y el grosor.
- Alta precisión: las cortadoras láser no experimentan ninguna carga en el cabezal de corte láser, como ocurre con otras tecnologías, como los enrutadores CNC. Como tales, las máquinas de corte por láser son muy precisas.
- Alta velocidad: Estas máquinas pueden cortar perfiles 2D muy rápidamente. El corte de materiales blandos como el plástico se puede realizar a altas velocidades.
- Automatizado: También están altamente automatizadas. Algunas máquinas incluso pueden colocar materia prima en la plataforma de corte y descargar piezas con interacción humana limitada.
- Costos de herramientas: a diferencia del mecanizado CNC, las cortadoras láser no utilizan una amplia gama de herramientas. No hay desgaste de la herramienta debido a la fricción ya que el cabezal de corte láser no entra en contacto con la materia prima.
- Sin sujeción: las máquinas de corte por láser no requieren abrazaderas u otro equipo de sujeción durante el corte. El material simplemente se puede colocar en la mesa de corte y no se moverá durante el proceso de fabricación.
Desventajas del Corte por Láser
A pesar de sus muchas ventajas, el corte por láser todavía tiene algunas limitaciones, como se describe a continuación:
- Alto consumo de energía: el corte por láser consume mucha energía, especialmente tecnologías como el corte con CO2.
- Grosor limitado: debido a la física de enfocar un rayo láser en un punto de alta intensidad, las cortadoras láser están limitadas en cuanto al grosor que pueden cortar. Por lo general, se limitan a materiales en placas y láminas con un espesor máximo de hasta 25 mm. Si bien se puede cortar material más grueso, esto no se suele hacer en los talleres de fabricación estándar.
- Humos peligrosos: al cortar algunos materiales como madera o plástico, se pueden generar humos de combustión peligrosos que deben ventilarse.
- Mantenimiento costoso: algunas tecnologías láser (como el CO2) consideran el tubo láser como un elemento de desgaste que debe reemplazarse, lo que implica un gran costo.
- Alto costo inicial: la inversión de capital inicial de las máquinas de corte por áser es alta. En algunos casos, las tecnologías más baratas como los cortadores de llama o los cortadores de plasma pueden ser más adecuados. Para hacernos una idea, una máquina actual de unos 10.000W de potencia puede costar en torno a los 600.000€.
Materiales utilizados en el Corte por Láser
Las máquinas de corte por láser pueden cortar una gran cantidad de materiales, los cuales enumeramos a continuación:
Acero al carbono/Acero dulce
El acero al carbono es un término utilizado para describir una amplia gama de aceros con cantidades variables de carbono como su principal elemento de aleación. El acero dulce es también otro tipo de acero al carbono con un porcentaje de carbono inferior al 0,3 %. Cuanto mayor sea el contenido de carbono, más duro y fuerte será el acero. Los láseres de alta potencia pueden cortar placas de hasta 20–25 mm de espesor.
Acero inoxidable
El acero inoxidable se clasifica como una aleación de acero que contiene cromo y/o níquel como sus principales elementos de aleación. Los aceros inoxidables son resistentes a una amplia gama de productos químicos. Se cortan fácilmente con cualquier tecnología de corte por láser. Sin embargo, los láseres de fibra son más adecuados para cortar acero inoxidable. Una máquina de CO2 puede cortar acero inoxidable en planchas de hasta 20 mm.
Aluminio
El aluminio es un término general que se utiliza para describir una gama de aleaciones de aluminio con diferentes elementos y aplicaciones de aleación. El aluminio tiene una buena relación resistencia-peso y, como tal, se usa a menudo en aplicaciones aeroespaciales. El aluminio es un material reflectante cuando se funde, por lo que es relativamente difícil de cortar. Si bien es posible cortar aluminio con un láser de CO2, es mejor utilizar un láser de fibra para este menester.
Latón
El latón es una aleación de cobre y zinc con algunos elementos de aleación secundarios. El latón es resistente a la corrosión, eléctricamente conductor y tiene baja fricción. Las aplicaciones típicas incluyen casquillos de baja fricción y aplicaciones eléctricas.
Madera
La madera se corta fácilmente con láseres de CO2 de potencia relativamente baja (150–800 W). Sin embargo, es importante tener un sistema de escape ya que se genera humo al cortar madera con esta tecnología. Las maderas naturales tienen una estructura de grano que puede dar como resultado acabados inconsistentes al grabar o cortar. Las maderas duras y blandas se pueden cortar con láser.
Acrílico (PMMA)
El acrílico produce un borde de corte suave, pero se requiere un sistema de escape debido a los vapores inflamables generados. La presión del gas debe ajustarse de modo que elimine los vapores y al mismo tiempo enfríe el borde cortado para solidificarlo. La presión de aire excesiva distorsionará el borde cortado mientras aún está fundido. El acrílico también es conocido por el nombre comercial de Perspex® o por su nombre químico polimetilmetacrilato.
Cuero
El cuero es un material natural fuerte y resistente que se utiliza para zapatos, cinturones y carteras. El cuero se puede cortar y grabar con láser fácilmente y tiene un alto valor añadido, especialmente cuando se usa para crear artículos personalizados cortados con láser. También hay versiones sintéticas de cuero llamadas piel sintética. Sin embargo, algunos de estos pueden contener PVC que produce vapores corrosivos cuando se corta con láser.
Materiales que NO se deben cortar por láser
No todos los materiales se pueden cortar con láser, y algunos incluso pueden producir gases nocivos cuando se cortan. A continuación se enumeran algunos materiales que no deben cortarse con láser:
- Fibra de vidrio laminada: Las fibras de vidrio y el epoxi tienden a cortarse mal. Como tal, este material no debe cortarse.
- HDPE (polietileno de alta densidad): el HDPE tenderá a derretirse en lugar de vaporizarse, lo que lo convierte en un material inadecuado para el corte con láser.
- Espuma de poliestireno y polipropileno: estas espumas tienden a incendiarse cuando se cortan con láser.
- ABS (acrilonitrilo butadieno estireno): el ABS tenderá a derretirse en lugar de vaporizarse y también generará gas tóxico de cianuro durante el corte.
- PVC (cloruro de polivinilo): el PVC produce gas de cloro cuando se corta con un láser. Esto causa daño corrosivo a la óptica y al equipo de corte por láser.
- Policarbonato (PC): las láminas de policarbonato con un grosor superior a 1 mm tienden a incendiarse cuando se cortan y también se decoloran.
Peligros del Corte por Láser
Como la mayoría de la maquinaria industrial, las máquinas de corte por láser presentan algunos peligros que se enumeran a continuación:
- Quemaduras: el corte con láser de algunos materiales, como la madera, puede provocar quemaduras si no se realiza correctamente.
- Gas tóxico: Algunos materiales liberarán gases tóxicos o corrosivos cuando se corten.
- Daños en los ojos: al intentar cortar materiales muy reflectantes, existe la posibilidad de que el rayo láser se refleje en los ojos. Esto puede causar daño severo a estos.
- Bordes de corte afilados: una máquina de cortte por láser puede producir potencialmente bordes de corte afilados. Estos pueden causar cortes severos si no se quitan las rebabas o no se manejan correctamente.
Impacto ambiental del Corte por Láser
El corte por láser es una de las tecnologías de producción más ecológicas. Algunas razones clave para esto se enumeran a continuación:
- Limpio: el corte por láser es generalmente un proceso muy limpio y no utiliza fluidos de corte u otros productos químicos.
- Bajo consumo de energía: algunas tecnologías de corte por láser, como los láseres de fibra, también son muy eficientes energéticamente.
- Bajo mantenimiento: Las cortadoras láser requieren muy poco mantenimiento y, como tales, son máquinas de larga duración. Como resultado, esta tecnología es menos derrochadora.
Alternativas al Corte por Láser
Hay varias alternativas al corte por láser industrial, algunas de las cuales son:
Corte por agua
Corte por agua: El corte por chorro de agua es un proceso de corte mecánico que utiliza un chorro de agua a alta presión para cortar materiales. El chorro de agua se emite a través de una boquilla especialmente diseñada, y se combina con un abrasivo como el dióxido de silicio para cortar el material. El abrasivo se añade al chorro de agua para mejorar la eficacia del corte, ya que ayuda a desgastar el material mientras el chorro de agua lo empuja.
El corte por chorro de agua es eficaz para cortar metales, mármol, vidrio y otros materiales duros, y es capaz de cortar materiales gruesos y de alta densidad. Además es capaz de cortar materiales de gran precisión y de alta calidad.
Es ampliamente utilizado en una variedad de industrias, incluyendo la fabricación de maquinaria, la construcción naval, la minería, la fabricación de vidrio y la producción de paneles solares. En la industria automotriz, se utiliza para cortar piezas de automóviles y en la industria aeronáutica para cortar las partes de los aviones. También se utiliza en la industria de la construcción para cortar bloques de mampostería, azulejos y otros materiales de construcción.
Corte por plasma
El corte por plasma es un proceso de corte mecánico que utiliza un chorro de plasma caliente para cortar metales y otros materiales conductores. El plasma se genera mediante la ionización del gas, ya sea aire o gas comprimido, en una cámara de corte. El gas ionizado se transforma en un plasma caliente, que se emite a través de una boquilla especialmente diseñada para cortar el material.
El material a cortar se coloca en una mesa de trabajo y se añade un electrodo a la cámara de corte. Cuando se aplica una corriente eléctrica entre el electrodo y el material, el plasma se forma y se dirige hacia el material, cortándolo. El corte se realiza mediante la combinación de altas temperaturas y un chorro de plasma altamente concentrado, que vaporiza el material y lo desintegra.
Corte electroquímico
El corte electroquímico es un proceso de corte que utiliza la corrosión controlada del metal para cortarlo. Es un proceso no mecánico que se basa en la disolución selectiva del metal mediante una reacción química controlada.
El proceso implica sumergir el metal a cortar en un baño electroquímico, que contiene una solución electrolítica y un electrodo. Se aplica una corriente eléctrica entre el metal y el electrodo, lo que provoca una reacción química en la que el metal se disuelve en el baño electroquímico. El área del metal que se va a cortar se protege mediante una plantilla o una herramienta de corte, de tal forma que la disolución se realice solo en la zona deseada.
El corte electroquímico es especialmente útil para metales que son difíciles de cortar mediante otros métodos, como el acero inoxidable o el titanio. También es útil para cortar materiales con alta precisión y geometrías complejas, como las piezas de un motor.
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