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1. Láser
Un láser es un dispositivo que produce un tipo especial de
haz de luz, con alta intensidad, ancho de banda angosto y naturaleza
coherente (conservan una relación de fase constante) de su
salida.
El término láser se forma con las siglas del ingles
“light amplification by stimulated emission of radiation”,
es decir, luz amplificada mediante la emisión estimulada de
radiación.
El láser se caracteriza por ser un haz monocromático
(todos los fotones tienen la misma longitud de onda, lo que permite
agruparse y concentrar su energía en una sola dirección
y en un solo punto), coherente (las ondas de luz vibran en la misma
fase, es decir, se pueden predecir las fluctuaciones del campo
electromagnético), baja divergencia (las ondas de luz están
casi perfectamente paralelas, es decir, tiene un margen de error
mínimo) y poder de densidad (sobrepasa enormemente otras
fuentes de luz convencionales, hasta 800,000 W/cm2).
1.2. Principio de funcionamiento del
láser
El corazón del dispositivo es el medio de amplificación
de la luz. Puede ser sólido, líquido o gaseoso. Éste
se activa o bombea por medio de una corriente eléctrica la
cual produce una emisión espontánea donde las moléculas
excitadas colisionan generando trayectorias aleatorias. Para que
estas trayectorias tengan un comportamiento de rayo láser, el
medio activo es colisionado por moléculas que tienen la misma
energía que las moléculas generadas en la emisión
espontánea. Este tipo de choques produce una emisión
estimulada donde las moléculas viajan en la misma dirección
y están en fase con la moléculas que ocasionaron la
emisión. Por tanto, la emisión es del todo coherente
con la radiación que entra, en esta condición hay una
pérdida por absorción, de moléculas que producen
el estado excitado, por lo que se crea una inversión de la
población (mayor cantidad de fotones por emisión
estimulada) para amplificar el haz de luz y así obtener el
rayo láser.
Fig. 1 Esquema de funcionamiento del láser.
1.3. Tipos de rayo láser
Existen muchos tipos de láser, pudiéndose clasificar
de diversas maneras; a continuación se muestra la
clasificación por medio activo de los láseres más
importantes.
Fig. 2 Tipos de láseres según el medio activo.
El rayo láser puede ser emitido de forma continua (haz
ininterrumpido) y en pulsos (flashes repetidos de corta duración).
Los láseres que intervienen en el proceso de corte son: el
láser de HeNe para la alineación del cabezal de corte y
medición de desplazamientos; y el láser con CO2 para la
penetración y corte del material.
El láser de HeNe. Láser gaseoso que emite un haz
continuo de luz visible de color rojo, de uso común en la
óptica, metrología, holografía, topografía
y procesamiento de imágenes, en la industria se emplea en la
alineación de sistemas ópticos de precisión para
la medición de micro-desplazamientos. El medio activo es una
mezcla gaseosa de helio y neón, contenida en un tubo de cuarzo
cerrado. La oscilación láser se lleva a cabo a una
longitud de onda de 0.6328 μm.
Láser con dióxido de carbono (CO2). Es la fuente
estándar para aplicaciones de corte de contorno, debido a que
es el láser más potente, capaz de una potencia de
salida continua por encima de 10 kV y operar por pulsos hasta 10 kHz.
Opera en el rango de frecuencia del infrarrojo, por lo que no es
visible.
El medio activo es una mezcla de dióxido de carbono (CO2),
nitrógeno (N2) y helio (He), las transiciones láser se
llevan a cabo en los niveles energéticos del CO2. A diferencia
de las transiciones energéticas electrónicas del láser
de HeNe que se encuentran en la región visible del espectro,
las transiciones vibracionales y rotacionales moleculares del CO2 se
encuentran en el rango infrarrojo, la principal longitud de onda del
CO2 es 10.6 μm.
2. Proceso de corte con láser
El proceso de corte con rayo láser requiere la acción
simultánea de un rayo láser (CO2) de salida continua
enfocado con una densidad de potencia mayor que 100,000 W/mm2 y un
chorro de gas auxiliar que puede ser nitrógeno (N2) para acero
inoxidable, aluminio y aleaciones de níquel u oxígeno
(O2) para acero al carbono, inoxidable y cobre; que juntos producen
un área de material eliminado en la pieza de trabajo. El rayo
láser actúa como fuente de calor lineal que produce una
agujero calado una vez que las condiciones iniciales alcanzan un
estado estable. El gas auxiliar expulsa el material fundido del
agujero por la raíz (ranura central) de corte.
Dado que casi todos los materiales son altamente reflejantes a
longitudes de onda de los láseres considerados, el
acoplamiento del rayo y la pieza de trabajo es muy ineficiente y la
absorción es baja. La absorción inicial débil en
la superficie de la pieza de trabajo comienza a elevar la temperatura
de ésta directamente bajo el haz óptico centrado en un
solo punto, haciendo que disminuya la reflectividad con bastante
rapidez. La temperatura y la absorción aumentan hasta alcanzar
la temperatura de fusión, permitiendo perforar el material, a
partir de este momento, el rayo láser actúa como fuente
de calor lineal energética dentro del material formando un
charco fundido. Cuando el charco recibe el impacto de un chorro de
gas auxiliar a alta presión, el metal líquido sale
despedido por la raíz (ranura central) en la pieza de trabajo,
produciéndose el corte.
El diámetro de la perforación oscila entre 0.0025 a
1.5 mm (0.0001 a 0.060 pulgadas). Un láser de CO2 puede cortar
acero al carbono de hasta 25 mm (1 pulgada) de espesor. Sin embargo,
los cortes de buena calidad en acero normalmente se efectúan
en espesores de menos de 9.5 mm (3/8 de pulgada) debido a que el rayo
láser tiene una profundidad de foco limitada.
En éste intervalo de espesores delgados, el corte con láser
en 2D es una alternativa al uso de punzones o al estampado, al corte
con gas oxicombustible y con arco de plasma. En comparación
con estos procesos, el ruido, la vibración y los humos
producidos por el corte láser son de niveles bastante bajos.
Las ventajas del corte con láser respecto a otros procesos
son: ancho del corte pequeño, zona afectada por el calor
mínima, altas velocidades de corte, buena calidad de los
bordes, adaptabilidad a la automatización, no hay contacto
mecánico entre el dispositivo de corte y la pieza de trabajo.
3. Corte de piezas tridimensionales - 3D
A diferencia de las operaciones de corte con equipo mecánico
(cizallado, punzonado, etc.), con este proceso es posible mecanizar
la mayoría de los materiales así como seguir
trayectorias complejas de superficies en piezas conformadas, con un
alto grado de precisión.
Fig. Piezas automotrices.
Por lo tanto sus aplicaciones están orientadas a: eliminar
el sobrante excedente de piezas que han sido troqueladas o embutidas,
realizar cortes o perforaciones en piezas que no sean planas
(autopartes, prototipos, piezas con geometría tridimensional,
piezas plegadas, tubería cuadrada y redonda, perfiles
estructurales, entre otros), etc. El resultado es un corte con alta
calidad superficial con tolerancias estrechas.
El rayo láser por si sólo, no es capaz de realizar
el proceso de corte. Por lo que antes antes de que el rayo incida
sobre el material, éste tiene que ser dirigido, formado y
enfocado. Esto se gracias a sus propiedades, las cuales son
optimizadas por la máquina CNC, la cual hace posible,
calcular, definir y controlar el proceso de corte con láser.
La ventaja que tiene sobre el corte láser en 2D, es que el
cabezal de corte se puede orientar o desplazar en cualquier posición,
lo que permite que se adapte a la superficie de la pieza de trabajo
por muy compleja que sea su forma, esto gracias al número de
ejes (5 o 6) en el equipo.
Fig.
Rayo láser en equipo de corte 3D.
El mecanismo emplea un control coordinado de 5 ejes en conjunto,
que proveen un movimiento preciso para que el cabezal del corte siga
trayectorias complejas. Este sistema emplea 3 ejes de desplazamiento
para controlar la posición que son ejes: X, Y, Z; y 2 ejes
para controlar la rotación que son: eje C con un rango de 360°
y el eje B con un rango de ± 100°.
Fig.
Movimiento en 5 ejes (desplazamiento en: X, Y, Z; y rotación
en: C, B)
Un aspecto indispensable es el software empleado tanto para
programar las máquinas como para controlar la operación
de las mismas. El fabricante de la máquina incorpora todo el
'Know-how' (saber-cómo) de corte y sus aplicaciones al control
por medio de tablas de tecnología, que el operario aprende a
seleccionar y aplicar con facilidad desde un panel de control en
estación de trabajo. El sistema de programación permite
importar archivos gráficos desde otros paquetes de software de
diseño asistido por computadora (CAD), para crear las
geometrías y los programas de mecanizado.
Una vez definida la geometría de los cortes y el proceso
mediante el software de programación, esta información
pasa al control de la máquina a través del sistema CNC
(Control Numérico por Computadora), el cual ejecuta
automáticamente todas las operaciones requeridas en la
secuencia que se han programado.
Fig. Máquina de corte láser 3D
Fig. Cabezal de corte
Posteriormente, sobre la mesa de trabajo se monta el dispositivo
de corte, en el cual se coloca y sujeta la pieza, se especifica el
punto de referencia, se simula la trayectoria de la geometría
en la pieza, se genera el código y se le ordena a la máquina
iniciar el proceso de corte especificado. El programa permite guardar
archivo y utilizarse en otro momento.
Fig. Piezas tridimensionales cortadas.
4. Tecnología láser de fibra.
Además de la tecnología láser que conocemos,
actualmente se buscan nuevos productos con tecnología avanzada
para reducir el costo de corte de metales por láser.
Fig. Láser de fibra óptica.
Existe un nuevo tipo de láser de fibra (hilo muy fino de
material transparente, vidrio o plástico, que puede transmitir
un haz de luz) con aplicaciones industriales que presentan ventajas
económicas y técnicas en comparación con los
láseres existentes, ya que tiene menor tamaño, mayor
eficiencia y simplicidad en los sistemas de enfriamiento. Los láseres
de fibra pueden ser usados para generar ondas continuas de radiación
y por pulsos ópticos ultracortos.
A diferencia del láser de CO2 (láser gaseoso), el
láser de fibra (láser sólido) no emplea gases y
la longitud de onda del rayo es de 1 µm, inferior los 10 µm
del láser de CO2; al ser tan pequeña, los materiales
transparentes (fibra de vidrio) son los indicados para transmitir el
rayo sin que el material lo absorba ni lo deforme. Gracias a esta
mejora, las máquinas que usan este sistema de conducción
se denominan, láseres de fibra. No por método de
generación del rayo, sino por la forma de transportarlo.
Sus componentes básicos son: medio de ganancia que es capaz
de producir luz cuando la energía de excitación es
aplicada en él. Los espejos frontal y trasero que son parte
del resonador que asegura que la luz se refleje de ida y vuelta a
través del medio de ganancia, aumentando la intensidad y
reduciendo la dispersión angular. La fracción de luz
que pasa por el espejo frontal es lo que se convierte en el láser.
Fig.
Componentes básico de un láser de fibra.
Su principio de funcionamiento se basa en un amplificador con
retroalimentación positiva, puede estar dada por la reflexión
de Fresnel de 4% (la luz cambia de dirección al pasar de un
medio a otro) actuando como un espejo parcial; o también es
posible con otros mecanismos de reflexión como las rejillas
Bragg, interconstruidas en los extremos de la fibra (funcionan como
espejos para reflejar determinadas longitudes de onda).
La ganancia del medio es proporcionada por el dopado
(contaminación) con alguno de los elementos de la familia de
los lantánidos (Neodimio Nd, Iterbio Yb, Erbio Er) y la
interacción de la radiación del láser de
entrada, la cual, en este tipo de láseres puede ser de varios
metros (las dimensiones físicas del medio de ganancia para el
láser de fibra son alrededor de 10 m, para un láser Nd:
YAG (Neodimio) es de 200 mm, y una descarga de láser de CO2
(dióxido de carbono) cerca de 2 m).
Otro aspecto importante es la técnica de bombeo con la cual
se obtiene el efecto de emisión estimulada. Este bombeo es, en
esencia, una fuente externa de energía (barras de diodos láser
de semiconductor) que se acopla a una o ambas caras de la fibra
óptica, ésta estimula a los electrones a subir de su
estado base a un estado excitado en los niveles de energía
adecuados.
El tamaño de las fibras ópticas esta en el rango de
30 – 50 µm, para reducir los efectos no lineales. Dado
que una geometría circular de la fibra no es la más
adecuada (ya que son pocos los rayos que pasan por el eje de bombeo),
es necesario introducir una asimetría, es decir, formas
geométricas no circulares para el revestimiento.
Para mejorar la eficiencia del láser de fibra óptica
se emplea un doble revestimiento. Por lo general, mientras el primer
revestimiento guía la luz generada, el segundo conduce la luz
láser de la fuente de bombeo.
Los láseres de fibra óptica generan luz a diferentes
longitudes de onda (0.4 – 4 µm), para aplicaciones en las
telecomunicaciones, procesamiento de materiales, procesamiento de
señales y medicina.
En un maquina que emplea láser de fibra, la longitud de
onda es de 1 µm, concentrando el rayo y otorgando un mejor
ángulo de incidencia con respectos a los materiales, por lo
que éstos absorben mejor el láser y se vaporizan más
rápido. Es ideal para ejecutar trabajos precisos, rápidos
y limpios en láminas de hasta 6 mm de espesor, de ahí
en adelante, en términos de velocidad, es mejor utilizar el
láser de CO2.
El pequeño tamaño del láser hace posible la
eliminación de los complejos sistemas de refrigeración,
y a su vez tiene excelentes propiedades de bombeo constante y un
rápido calentamiento.
En la actualidad ya se encuentran disponibles, de manera
comercial, láseres de fibra óptica dopados con yerbio,
con rangos de potencia de 1 – 10 kilowatts. Los láseres
de decenas de watts pueden aplicarse en la industria para productos
de metales, cerámicos, plásticos, micromaquinado,
microsoldadura y corte. Los láseres de fibra óptica
cuya potencia es mayor de decenas a miles de watts, pueden emplearse
en los procesos de soldadura directa y soldadura remota o en corte de
alta velocidad.
5. Etiquetado y marcado de punto por láser
En el etiquetado por rayo láser, la superficie del material
es erosionada ligeramente y decolorada, produciendo una hendidura
superficial continua poco profunda que sigue una geometría
establecida, con la cual se puede realizar la identificación
de la pieza de trabajo, colocar marcas para procesos posteriores,
crear formas en la superficie del material, para decoración,
etc..
Otra forma para la identificación de piezas es por medio
del marcado de punto, éste crea una leve depresión en
la superficie del material, obteniendo marcas en forma de puntos
intermitentes a lo largo de la geometría.
Fig.
Esquema de marcado con láser.
Estas marcas en caso de que no se requieran, pueden ocultarse con
la aplicación de recubrimientos como la aplicación de
laca.