Entender la tecnología de corte por láser -- Una visión detallada de la tecnología de corte por láser

Esta guía está dirigida a ingenieros, fabricantes y empresarios que estén investigando alternativas de corte por láser. Aborda la tecnología de corte por láser, sus correspondientes ventajas, aplicaciones y tecnología emergente.

1. ¿Qué es el corte por láser?

Un haz de luz focalizado corta diversos materiales con gran precisión, de forma más eficaz que otros métodos; algunos ejemplos de materiales son los plásticos, la madera, los textiles y los metales.

Se utilizan ópticas especiales para enfocar un láser potente sobre la superficie del material que se va a cortar.
El haz de luz láser suele tener un diámetro reducido de 0,025 mm (0,001 pulgadas) y contiene energía láser que funde, quema o vaporiza en función de la interacción en el punto de contacto.

En comparación con las máquinas tradicionales, las máquinas modernas tienen una mayor capacidad para ejecutar formas complejas y sofisticadas junto con diseños intrincados que antes se consideraban imposibles con los equipos tradicionales. Durante la operación, se utiliza un chorro de gas, normalmente nitrógeno u oxígeno, para soplar el material fundido manteniendo los bordes limpios y evitando la contaminación de la zona de corte.

Una máquina de corte por láser CNC en funcionamientohttps://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/79/CNC_Laser_Cutting_Machine.jpg/500px-CNC_Laser_Cutting_Machine.jpg

2. Principios del corte por láser

La electricidad se utiliza para concentrar la luz en un haz luminoso. Según el tipo utilizado, el láser se ajusta para enfocar longitudes de onda específicas. La luz se transforma en una luz muy concentrada que puede suministrar una gran cantidad de energía térmica, suficiente para fundir, quemar o vaporizar el material que se encuentre debajo. La densidad de potencia que puede alcanzarse en este caso puede llegar a varios megavatios por centímetro cuadrado. Esto permite trabajar con materiales que van desde láminas finas hasta placas de metales gruesos.

Esta lente capta la energía y la concentra en un punto de diámetro igual o inferior a 0,32 mm, lo que se traduce en una potencia excepcional en el punto de corte.
Este enfoque permite al láser cortar a una velocidad de varios metros por minuto, en función del tipo y el grosor del material.

Un gas, como oxígeno, nitrógeno o incluso aire comprimido, se introduce en el cabezal de corte a una presión de 1 a 20 bares. Este gas cumple muchas funciones vitales: soplar el material fundido fuera de la zona de corte, evitar que se vuelva a adherir, proteger el objetivo del sobrecalentamiento del material, causar posibles daños y, a veces, participar en la acción de corte mediante reacciones térmicas exotérmicas. El tipo de gas utilizado tiene un profundo impacto en la calidad y la velocidad del corte; por ejemplo, en el caso del corte de acero dulce, el oxígeno aumenta la velocidad debido a las reacciones exotérmicas. El nitrógeno, sin embargo, produce un corte limpio y sin óxido en acero inoxidable y aluminio.

La sofisticada tecnología CNC (control numérico por ordenador) controla el número de ejes programados en la trayectoria de corte. Cada uno de los ejes de movimiento funciona con una precisión de microsegundos.
Tal nivel de control digital facilita una precisión sin igual, en este caso, dentro de ±0,1 milímetros del material: repetibilidad sin igual durante numerosos cortes y características intrincadas, así como constancia del proceso de corte a lo largo de procesos de corte multifacéticos.

Los diseños más recientes de sistemas CNC se integran a la perfección con los sistemas CAD/CAM, lo que permite elaborar trayectorias de herramientas automatizadas, supervisar la tarea durante el proceso y controlar parámetros vitales como la potencia, la velocidad y la presión del gas de asistencia. Esta precisión permite realizar cortes complejos sin perder la uniformidad de la calidad en la producción en masa.

Primer plano de una cortadora láser en funcionamiento
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1d/LaserCutter.jpg/500px-LaserCutter.jpg

3. Ilustración de las ventajas e inconvenientes de la tecnología de corte por láser

Ventajas

A diferencia de otros métodos habituales, el corte por láser proporciona un nivel de precisión y exactitud inigualable.

La capacidad de aplicar un haz focalizado para el corte da como resultado la producción de bordes muy limpios y una deformación menor del material, lo que resulta ideal para diseños intrincados y tolerancias ajustadas.
La tecnología de corte por láser muestra una gran versatilidad, ya que puede trabajar con materiales compuestos de metales, plásticos, madera e incluso textiles. Esta flexibilidad la convierte en una valiosa herramienta en múltiples sectores industriales y diversas aplicaciones.
Esta tecnología acorta el tiempo necesario para la producción, reduce el desperdicio de material y elimina prácticamente la necesidad de reequipamiento entre distintos trabajos.
Con los modernos sistemas de corte por láser, las funciones de automatización conllevan una disminución de los costes de mano de obra y un aumento de la producción. Un gran número de los sistemas disponibles hoy en día pueden funcionar durante largos periodos con poca atención del operario.
El hecho de que no haya contacto con la herramienta de corte es una ventaja importante. Esto elimina los fenómenos de desgaste de la herramienta asociados a los métodos de corte tradicionales, se mantiene una calidad de producción constante a lo largo de los ciclos de producción y los requisitos de mantenimiento son mucho menores.

Desventajas

Aunque el corte por láser proporciona precisión y exactitud, hay son desventajas del método.

Se requiere una importante inversión de capital para la maquinaria, los programas informáticos y otros cambios en la infraestructura de los edificios necesarios para los sistemas de calidad.
En cuanto a las restricciones de materiales, la flexibilidad de la tecnología láser es algo limitada. Se necesitan determinados tipos de láser para metales muy reflectantes, como el latón y el cobre, y algunos materiales pueden liberar gases tóxicos al cortarse.
Los costes energéticos del funcionamiento de los láseres siguen siendo bastante elevados. El coste de funcionamiento del equipo, especialmente cuando se cortan materiales más gruesos, es elevado debido a las demandas de energía asociadas a las operaciones de corte.
Se requieren conocimientos especializados sobre el funcionamiento y el mantenimiento de los sistemas de corte por láser. Los técnicos sofisticados deben conocer bien los componentes de control mecánicos y de software.
Las aplicaciones sensibles pueden verse afectadas por las zonas afectadas por el calor. El mecanismo de corte térmico del láser puede modificar las propiedades estructurales del material en los límites próximos al corte.

4. Introducción de dos nuevos tipos de máquinas de corte por láser

a. Máquina de corte por láser (CO2)

Las máquinas de corte por láser de CO2 son más eficaces cuando se trabaja con materiales no metálicos como madera, plásticos, acrílico, textiles e incluso papel. Los láseres de CO2 son láseres moleculares de gas y emplean gases suplementarios como nitrógeno, xenón, helio e hidrógeno, que aumentan la estabilidad térmica y la eficacia del haz.

Las máquinas láser de CO2 funcionan a una frecuencia de 10,6 micrómetros, lo que significa que los materiales orgánicos absorben fácilmente los láseres.
Por ello, las máquinas láser de CO2 han demostrado su eficacia en el corte y grabado de no metales con detalles intrincados.
Cuando el láser se enfoca adecuadamente, produce una longitud de onda que minimiza la distorsión, lo que permite cortar con todo detalle.
Los sistemas avanzados de CO2 utilizan haces polarizados circularmente que reducen en gran medida los reflejos perjudiciales y aumentan la eficacia de corte de metales como el aluminio y el latón, lo que hace que estos sistemas sean eficaces para cortar metales reflectantes.
La reducción del grosor del material se traduce en un aumento de la velocidad de corte, de hasta 30 metros por minuto. La calidad del haz garantiza que los acabados de los bordes sean lisos, lo que hace obsoletas operaciones secundarias como el pulido.
Los sistemas más avanzados vienen equipados con seguidores de altura de detección automática por capacitancia, que permiten al cabezal láser mantener una distancia constante respecto a la superficie del material que se está cortando, lo que garantiza un enfoque y una calidad de corte uniformes en superficies irregulares.

Los sistemas láser de CO2 actuales vienen con controles intuitivos y una amplia base de datos de materiales. Estas funciones facilitan el manejo de los usuarios a la vez que mantienen los ajustes de corte adecuados para los distintos materiales y sus grosores. Los sistemas de control, como el software para láser Ruby®, permiten a los usuarios trabajar desde el diseño hasta el producto acabado e incorporan funciones como el autoenfoque, el marcado con luz roja y el diagnóstico integrado del sistema, que mejoran aún más la precisión.

La introducción de cámaras de alta resolución utilizadas para el posicionamiento, tubos láser modulares acoplables que no requieren mantenimiento, sistemas de refrigeración avanzados que mejoran la eficiencia energética manteniendo el rendimiento de refrigeración y otras innovaciones del sistema son recientes. Todos estos avances están en consonancia con el resto de cambios de la industria manufacturera hacia la fabricación sostenible, la cuarta revolución industrial y el Internet industrial de las cosas.

Panel de control de un sistema de corte por láserhttps://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/dc/Laser-and-CNC-Control.jpg/500px-Laser-and-CNC-Control.jpg

b. Máquina de corte por láser (gran formato)

Las máquinas de corte por láser de gran formato están especialmente diseñadas para ofrecer la máxima precisión.

Gracias a sus avanzadas áreas de trabajo, las máquinas de corte por láser de gran formato cumplen las normas del sector para la producción en serie.
La envolvente de corte suele abarcar desde plataformas de 1,5 x 3 metros hasta enormes plataformas de 4 x 20 metros, lo que permite un cambio de tamaños de hojas industriales estándar.
Desde láminas hasta planchas de acero de 25 mm, las máquinas de gran formato son capaces de manipular todo tipo de espesores de material.

La automoción, la fabricación de equipos pesados y la industria aeroespacial son sólo algunos de los sectores de fabricación que utilizan máquinas de gran formato debido a su versatilidad.

El diseño suele incluir “ópticas volantes”, en las que el material inmóvil es cortado por un cabezal móvil.

Esta configuración permite procesar rápidamente grandes chapas manteniendo una calidad constante del haz en toda la zona de corte.
Los sistemas de pórtico de elevación vertical están equipados con motores lineales y raíles de precisión que pueden alcanzar velocidades de aceleración de hasta 3G, con una precisión de posicionamiento de ±0,05 mm.
Este diseño elimina el problema de mover materiales voluminosos durante el corte, lo que a su vez disminuye la tensión mecánica sobre los componentes y prolonga la vida útil de la máquina.
Los nuevos sistemas vienen con puentes rígidos que reducen en gran medida las vibraciones de corte, garantizando así la precisión dimensional en toda la superficie de trabajo en el corte multieje de alta velocidad.

Con el uso de sofisticados sistemas de almacenamiento en torre, las chapas pueden entregarse directamente a la bancada de corte tras seleccionar y entregar automáticamente la chapa necesaria.

Estos sistemas de almacenamiento pueden guardar hasta 30 toneladas de materias primas.

Sistema industrial de corte por láser de gran formato con óptica volante

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c4/Industrial_4kW_laser_with_flying_optics_system.jpg/500px-Industrial_4kW_laser_with_flying_optics_system.jpg

5. Campo de aplicación del corte por láser

Las máquinas de corte por láser se han adoptado en muchas industrias:

Numerosas piezas del automóvil, tanto estéticas como estructurales, se fabrican a granel y se integran en diversos modelos y marcas de vehículos. En todos ellos se recurre en gran medida al corte por láser de precisión para obtener niveles y detalles intrincados, como en los salpicaderos.
Esta tecnología se utiliza habitualmente en la fabricación aeroespacial de piezas complejas de motores de aviones, componentes de fuselajes y piezas interiores.
El sector de la electrónica confía en el corte por láser de precisión para las placas de circuitos y el alojamiento de componentes. El microcorte de precisión por láser permite fabricar dispositivos más pequeños y complejos con un intrincado diseño interno.
El corte por láser se emplea ampliamente en la fabricación de instrumentos quirúrgicos y dispositivos implantables dentro de la industria de dispositivos médicos. Su gran importancia para los materiales biocompatibles se debe a la capacidad de crear cortes limpios con una zona mínima afectada por el calor.
Los láseres ofrecen infinitas posibilidades para el diseño de moda y textil, razón por la que han ganado tanta popularidad en estas dos industrias.
Los diseñadores emplean la tecnología en cuestión para crear diseños y adornos con métodos de corte demasiado avanzados para conseguirlos con medios más tradicionales.
Fachadas metálicas personalizadas, paneles decorativos y componentes de construcción precortados son algunos de los casos de uso arquitectónico. Los elementos arquitectónicos complejos se alinean automáticamente con el resto de componentes gracias a la precisión y repetitividad de la función del corte por láser.
Una empresa de expositores y rótulos utilizaría el corte por láser por su versatilidad con los materiales. Los expositores más complejos son posibles porque la tecnología produce bordes precisos.
Dado que el corte por láser permite patrones personalizados, la industria de fabricación de muebles puede utilizarlo para incrustaciones decorativas y diseños de juntas intrincados que maximizan el valor de los productos.
Las carcasas y los componentes internos de los aparatos electrónicos de consumo adoptan cada vez más el uso del corte por láser. Con la ayuda del corte por láser, los fabricantes pueden realizar con precisión cortes consistentes para puertos, botones y otras piezas sin obstruir la calidad.

Cada industria, sea cual sea, se beneficia de la diversidad gracias a la precisión, la rapidez y la compatibilidad con los materiales.

6. Tendencia de desarrollo futuro de la tecnología de corte por láser

El corte por láser está experimentando interesantes avances:

Sistemas láser ultrarrápidos. Estos sistemas utilizan pulsos de femtosegundos y picosegundos para lograr un “corte en frío”, lo que significa que no habrá ninguna zona afectada por el calor.
Las operaciones de corte por láser experimentarán un gran cambio con la integración de la IA y el aprendizaje automático.
Estas tecnologías admiten cambios de proceso en tiempo real, mantenimiento predictivo e identificación automática de defectos.
Los avances de la tecnología láser híbrida están mejorando el tratamiento de materiales altamente reflectantes como el oro, el cobre y el latón. Por ejemplo, los láseres verdes tienen una longitud de onda más corta que proporciona una mejor absorción.
Los sistemas láser de última generación están diseñados para ser más eficientes energéticamente sin sacrificar el rendimiento de corte.
Algunas aplicaciones se benefician de la eliminación mecánica del cabezal de corte y pueden alcanzar velocidades de procesamiento muy superiores. Estas aplicaciones se amplían con el corte por láser remoto que utiliza sistemas de escáner en lugar de cabezales de corte tradicionales.
Los procesos complementarios son el corte por láser que utiliza una forma de sistemas de fabricación híbridos. Estas soluciones integradas incorporan el conformado, la soldadura o la impresión 3D en una plataforma de máquina.
Los sistemas de supervisión y funcionamiento que utilizan la nube permiten gestionar los equipos de corte por láser desde distintas ubicaciones. Permiten el seguimiento en tiempo real de la producción, la optimización de los recursos y el soporte de nuevos marcos de colaboración para la fabricación.
Las nuevas fuentes de láser especializadas permiten utilizar materiales más avanzados con materiales antes difíciles, como compuestos de fibra de carbono, cerámica y materiales semiconductores. Las fuentes láser especializadas siguen expandiéndose.
Las capacidades de microprocesamiento avanzan para satisfacer las demandas de las industrias electrónica y médica. Los sistemas láser de última generación consiguen micras de tamaño con una precisión inigualable para tareas antes imposibles.

De cara al futuro, la integración de la IA, las nuevas tecnologías de automatización y las modernas fuentes láser harán que la fabricación evolucione aún más con una mayor precisión, flexibilidad y respeto por el medio ambiente, al tiempo que se reduce la necesidad de automatización con intervención humana.

Resumen

En todos los sectores, los fundamentos de la energía luminosa focalizada del corte por láser son el principio y el núcleo para su uso en productos aeroespaciales, médicos e incluso de consumo. Cada día, los láseres se ofrecen para más casos de uso y para ampliar sus capacidades.

Los sistemas de CO2 tienen una amplia gama de posibilidades de aplicación y destacan en el procesamiento no periférico con gran detalle, y las máquinas de gran formato sobresalen por su eficiencia a nivel de marca en la producción a escala industrial. Estos sistemas, como todos los que utilizan el corte por láser, ofrecen ventajas inigualables de velocidad, precisión y versatilidad con menos residuos.

El prometedor futuro de esta tecnología es el resultado de la incorporación de la IA junto con prácticas sostenibles y capacidades avanzadas de procesamiento de materiales. Las empresas que siempre buscan una ventaja con una precisión y eficiencia inigualables están preparadas para utilizar el corte por láser y reforzarán sus cimientos en la tecnología de fabricación básica.

Comprender estos fundamentos -en especial el corte por láser- puede transformar las capacidades de producción, desbloquear nuevas oportunidades de mercado y proporcionar importantes ventajas competitivas en el exigente panorama actual de la fabricación.