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CORTE DE LÁSER: DESDE LOS PRIMEROS PRINCIPIOS HASTA EL ESTADO DE LA ARTE

Número Navegar:20     Autor:Editor del Sitio     publicar Tiempo: 2017-09-28      Origen:motorizado Su mensaje

Abstracto

  Este documento presenta una visión general del tema del corte con láser.Los temas cubiertos incluyen;Interacciones láser-materiales, diferentes tipos de láser, el crecimiento técnico y comercial del corte por láser y el estado del arte.

Primeros principios

  La mayoría del corte por láser se lleva a cabo utilizando láseres de CO2 o Nd: YAG.Los principios generales de corte son similares para ambos tipos de láser, aunque los láseres de CO2 dominan el mercado por razones, que se analizarán más adelante en este documento.El mecanismo básico de corte por láser es extremadamente simple y se puede resumir de la siguiente manera:

1. Un rayo de alta intensidad de luz infrarroja es generado por un láser.

2. Este haz se enfoca en la superficie de la pieza de trabajo por medio de una lente.

3. El haz enfocado calienta el material y establece una fusión muy localizada (generalmente más pequeña que 0,5 mm de diámetro) en toda la profundidad de la lámina.

4. El material fundido es expulsado del área por un chorro de gas presurizado que actúa coaxialmente con el rayo láser como se muestra en la figura 1. (Nota: con ciertos materiales, este chorro de gas puede acelerar el proceso de corte haciendo tanto trabajo químico como físico.Por ejemplo, los aceros al carbono o leves generalmente se cortan en un chorro de oxígeno puro. El proceso de oxidación iniciado por el calentamiento del láser genera su propio calor y esto aumenta la eficiencia del proceso.

5. Este área localizada de eliminación de material se mueve a través de la superficie de la hoja, generando así un corte.El movimiento se logra mediante la manipulación de la mancha láser enfocada (mediante espejos CNC) o moviendo mecánicamente la lámina en una mesa CNC X-Y.Los sistemas "híbridos" también están disponibles donde el material se mueve en un eje y el punto láser se mueve en el otro.Los sistemas totalmente robóticos están disponibles para perfilar formas tridimensionales.Los láseres Nd: YAG pueden utilizar fibras ópticas en lugar de espejos, pero esta opción no está disponible para el láser de CO2 de longitud de onda más larga.

CORTE POR LÁSER (1)

  Figura 1. Un esquema de corte por láser.La montura de la lente o la boquilla (o ambas) se pueden ajustar de izquierda a derecha o dentro y fuera del plano del boceto.Esto permite la centralización del haz enfocado con la boquilla.La distancia vertical entre la boquilla y la lente también se puede ajustar.Antes de pasar a una descripción más detallada del proceso de corte, este es un buen momento para resumir los beneficios del corte por láser.

R. El proceso se corta a gran velocidad en comparación con otros métodos de creación de perfiles.Por ejemplo, un láser de CO2 de 1500W cortará acero dulce de 2 mm de espesor a 7.5mmin-1.La misma máquina cortará láminas acrílicas de 5 mm de espesor a ~ 12min-1.

B. En la mayoría de los casos (por ejemplo, los dos ejemplos dados anteriormente) los componentes de corte estarán listos para el servicio inmediatamente después del corte sin ninguna operación de limpieza posterior.

C. El ancho de corte (ancho de corte) es extremadamente estrecho (típicamente de 0.1 a 1.0 mm).Se puede llevar a cabo un trabajo muy detallado sin las restricciones de un radio interno mínimo impuesto por las fresadoras y los métodos mecánicos similares.

D. El proceso puede ser totalmente controlado por CNC.Esto, combinado con la falta de necesidad de disposiciones de jigging complejas, significa que, un cambio de trabajo del componente de corte 'A' en acero al componente de corte 'B' en polímero puede llevarse a cabo en segundos.(Tenga en cuenta que los láseres Nd: YAG no pueden cortar la mayoría de los plásticos porque son transparentes a la luz láser Nd: YAG).

E. Aunque el corte con láser es un proceso térmico, el área real calentada por el láser es muy pequeña y la mayor parte de este material calentado se elimina durante el corte.Por lo tanto, la entrada térmica al grueso del material es muy baja, las zonas afectadas por el calor se minimizan y generalmente se evita la distorsión térmica.

F. Es un proceso sin contacto, lo que significa que el material solo debe sujetarse ligeramente o simplemente colocarse debajo de la viga.Los materiales flexibles o endebles se pueden cortar con gran precisión y no se tuercen durante el corte, como ocurre cuando se cortan con métodos mecánicos.

G. Debido a la naturaleza CNC del proceso, la estrechez del ancho de la cuchilla y la falta de fuerza mecánica en la lámina que se está cortando, los componentes se pueden colocar para "anidar" muy juntos.Por lo tanto, los desechos materiales pueden reducirse al mínimo.En algunos casos, este principio puede extenderse hasta que no haya material de desecho en absoluto entre los bordes similares de los componentes adyacentes.

H. Aunque el costo de capital de una máquina de corte láser es sustancial, los costos de funcionamiento son generalmente bajos.Existen muchos casos industriales donde una gran instalación se amortizó en menos de un año.

I. El proceso es extremadamente silencioso en comparación con las técnicas de la competencia, un factor que mejora el ambiente de trabajo y la eficiencia o el personal operativo.

J. Las cortadoras láser son extremadamente seguras de usar en comparación con muchas de sus contrapartes mecánicas.

Una comparación de CO2 y Nd:

  Corte por láser YAG.Los láseres de CO2 y Nd: YAG generan haces de luz infrarroja de alta intensidad que se pueden enfocar y usar para cortar.

  Se venden menos láseres Nd: YAG como máquinas de corte en comparación con los láseres de CO2.Esto se debe a que para aplicaciones generales de corte, los láseres de CO2 son más efectivos.Los láser Nd: YAG solo son preferidos:

A. Si se requiere un trabajo detallado muy fino en el material de sección delgada.

B. Si los materiales altamente reflectantes como cobre o aleaciones de plata se van a cortar regularmente

O

C. Si se va a utilizar una fibra óptica para transportar el rayo láser a la pieza de trabajo.

  Aunque los láseres de CO2 y Nd: YAG generan luz infrarroja, la longitud de onda de la luz láser de CO2 es diez veces mayor que la de las máquinas Nd: YAG (10.6 micras y 1.06 micras, respectivamente).Debido a que la luz láser Nd: YAG tiene una longitud de onda más corta, tiene tres ventajas sobre la luz láser de CO2:

1. La luz láser Nd: YAG se puede enfocar a una mancha más pequeña * que la luz láser de CO2.Esto significa que se puede lograr un trabajo más fino y más detallado (por ejemplo, agujas de reloj ornamentales).

2. La luz láser Nd: YAG se refleja menos fácilmente en las superficies metálicas.Por esta razón, los láseres Nd: YAG son adecuados para trabajar en metales altamente reflectantes como la plata.

3. La luz Nd: YAG puede viajar a través del vidrio (la luz de CO2 no puede).Esto significa que se pueden usar lentes de vidrio de alta calidad para enfocar el haz hasta un tamaño de punto mínimo *.Además, las fibras ópticas de cuarzo se pueden emplear para llevar el haz de distancias relativamente largas a la pieza de trabajo.Esto ha llevado al uso generalizado de los láseres Nd: YAG en las líneas de producción de automóviles donde el espacio disponible en las líneas es escaso.

  * Nota: Si se utiliza una fibra óptica, la capacidad de la luz láser Nd: YAG para enfocarse en un punto muy pequeño puede perderse si la potencia promedio es superior a 100 vatios.El tamaño de punto enfocado después de viajar a través de una fibra óptica puede ser mayor que un punto de láser de CO2

  La luz láser Nd: YAG de longitud de onda más corta también tiene una desventaja importante:

1. La mayoría de los materiales orgánicos (por ejemplo, plásticos, productos a base de madera, cuero, cauchos naturales, etc.) son transparentes a la luz láser Nd: YAG.Por esta razón, no pueden ser cortados por láser Nd: YAG.Si la potencia del láser es baja o el tamaño del punto enfocado es grande, la luz pasa a través del material sin calentarlo lo suficiente como para cortarlo.Si se aumenta la intensidad del rayo láser, al aumentar la potencia o al reducir el tamaño del punto, el material eventualmente responderá con una explosión localizada que puede producir una rasgadura u orificio.

  La situación con los no metales inorgánicos (por ejemplo, cerámica, vidrios, carbón, etc.) es bastante compleja.Los láseres de CO2 se pueden utilizar para cortar una gran proporción de estos materiales pero, una vez más, las máquinas Nd: YAG pueden tener problemas de transparencia de los materiales (esto es cierto para el vidrio y el cuarzo, por ejemplo).Una historia de éxito para ambos tipos de láser es el perfilado de sustratos cerámicos para la industria electrónica.En algunos casos, los rellenos inorgánicos que se utilizan para colorear o endurecer los plásticos pueden hacerlos adecuados para el corte de Nd: YAG.En general, sin embargo, el corte de polímeros se lleva a cabo solo por láseres de CO2.

  En resumen, los láseres Nd: YAG se pueden utilizar para cortar detalles finos, o se pueden usar con fibra óptica, en cuyo caso no será posible obtener detalles (excepto cuando se corten láminas o máscaras delgadas a menor potencia).Son particularmente adecuados para cortar aleaciones de alta reflectividad pero no pueden cortar muchos no metales.

  Los láseres de CO2, por otro lado, suelen ser una ruta de producción más económica y, por lo tanto, son preferidos para fines de ingeniería general.Los láseres de CO2 también tienen la ventaja de que pueden cortar una gama más amplia de materiales, desde metales hasta polímeros y madera.

Mecanismos de corte

  Los mecanismos de corte pueden cortar materiales por láser mediante una variedad de mecanismos diferentes que se describen a continuación.El subtítulo de cada mecanismo de corte incluye una mención de los grupos de materiales cortados y de los láseres involucrados.

  Melt Shearing o Fusion Cutting (mayoría de metales y termoplásticos: láseres de CO2 y Nd: YAG)

CORTE POR LÁSER (2)

  La Figura 2 es un esquema del proceso de corte por fusión o corte por fusión.(También conocido como 'corte de gas inerte').[1] En este caso, el rayo láser enfocado funde la pieza de trabajo y la masa fundida se expulsa desde la parte inferior del corteacción mecánica del chorro de gas de corte.Los materiales que se cortan de esta manera incluyen la mayoría de los que se pueden fundir, es decir, metales y termoplásticos.Para cortar con láser estos materiales con éxito, debemos elegir nuestro gas de corteescriba y presione con cuidado.

  El tipo de gas de corte se elige dependiendo de la naturaleza reactiva del material que se está cortando, es decir

  Los termoplásticos fundidos no reaccionan químicamente con nitrógeno u oxígeno, por lo que se puede usar aire comprimido como gas de corte.

  El acero inoxidable fundido reacciona con oxígeno pero no con nitrógeno, por lo que se utiliza nitrógeno en este caso.

  El titanio fundido reacciona con oxígeno o nitrógeno y, por lo tanto, el argón (que es químicamente inerte) se utiliza como gas de corte.

  La presión del gas empleado también depende de los materiales que se cortan, es decir, la eliminación del polímero fundido de la zona de corte (cuando se corta, por ejemplo, nylon) no requiere un chorro de gas a alta presión y la presión de suministro alel cabezal de corte puede ser del rango de 2-6 bar.El acero inoxidable fundido, por otro lado, requiere un empuje mecánico considerablemente mayor para eliminarlo de la zona de corte y, por lo tanto, las presiones de suministro empleadas estarán en el rango de 8 a 14 bar (ella presión requerida aumenta con el espesor del acero).

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