Fresado laser

¿Que es un láser?

Un láser es un conjunto de haz de electrones que se mueven de una forma coherente ( es decir, que si conocemos los valores de el campo eléctrico de uno, podemos saber el valor del otro. En nuestro caso, porque ambos tienen la misma polarización y frecuencia) y de tamaño, pureza y forma controlado. Existen muchas clases de láseres y su aplicación es muy variada, desde la defensa militar hasta tratamiento de belleza

¿Que tipos de láseres existen?

Existen muchos tipos de láseres (de rubí, de Argón, de Helio- Neón…), aunque en la industria habitualmente se utilizan de dos tipos: el de CO2 y el de Nd-YAG.

El funcionamiento básico de un láser de CO2 es el siguiente: Se trata de un tubo hermético, en su mayor parte con CO2, pero también con Helio y Nitrógeno. En cada lado del tubo hay un espejo, uno de los cuales es semitransparente. El gas del interior del tubo se excita con una descarga eléctrica, lo que provoca la creación de un haz de luz en su interior. Este haz sale por el espejo si consigue suficiente potencia, si no vuelve a ser rebotado entre los dos espejos hasta que la consiga y salga disparado hacia el objetivo.

Para el láser de Nd-YAG, el cual es un acrónimo del ingles neodymium-doped yttrium aluminium garnet , se usa otro procedimiento. En el se utiliza el dopaje (agregación de impurezas de a un cristal puro para cambiar sus propiedades eléctricas) del neodimio de cristales de óxido de itrio y aluminio (Nd:Y3Al5O12), para la ampliación de su radiación de onda característica.

¿Que entendemos por fresado?

El fresado consiste en la mecanizado de un material a través de una herramienta que ejecuta movimientos en la pieza en las 3 dimensiones habituales y en algunas mas ( como una 4 de giro ) para cortar el material y darle forma y acabado. Es un tipo de mecanizado utilizado en la industria para pequeños lotes de piezas que requieran gran complejidad o acabados superficiales muy altos.

Entonces, ¿Que es el fresado láser?

Para el fresado láser daremos la definición como cualquier maquina que mecanice piezas en 2 o 3 dimensiones a través del uso de un láser como medio de corte principal, ademas de poder utilizar tal láser si es requerido como medio para dar acabados, taladrados, ranurados, etc…

• Evolución en la Industria

Desarrollado en 1960 por Theodore Maiman en un principio, el avance de estos equipos ha sido a la par al desarrollo industrial y a la consecución de objetivos que han aparecido en el ámbito industrial. El láser ha experimentado un gran crecimiento y avance dentro de la industria hasta tener sectores ampliamente utilizados como pueden ser el corte, la soldadura o el marcado, ademas de adentrarse en otro sectores mas en proceso de desarrollo como son el texturizado (es decir, en acabados superficiales del material) o el aporte de material.

A la hora de mecanizar una pieza por láser existen muchas variables a tener en cuenta, lo que ha dado una gran diversidad de maquinas para diferentes propósitos en la industria, ya que cada material debe de ser medido experimentalmente para conocer mejor sus parámetros y conseguir un mejor uso de el láser.

Aparte de eso, se trata de unas maquinas de coste relativo alto, superando normalmente el precio de 250.000 €, unos 50.000 € mas que una fresadora común, de media. Por ello se tiene la necesidad de conocer a la perfección el material, los costes y la información relativa al proceso . Pero, como ventaja, ciertos procesos como por ejemplo el corte o la soldadura, el beneficio de incluir maquinas herramienta con láser supera con creces a las desventajas, por lo que es mas habitual verlo en pequeños y medianos talleres realizando operación como puede ser el corte de chapas o el LBW ( láser beam welding, soldadura por rayo láser en ingles ). Ademas, también empiezan a aparecer procesos mas novedosos en la industria, como el temple por láser, el cual es investigado desde la década de 1980, aunque se comenzase a industrializar a comienzo de la década del 2000, que a pesar de algunas dificultades, se le considera altamente industrializado y fiable.

También cabe resaltar que el láser ofrece unas tolerancias muy buenas, de entre +/- 0,05mm dependiendo del tipo de láser.

Otro dato importante es que estos sistemas se compenetran muy bien con los programas de CAD y CAM, para poder formar piezas con un diseño hecho totalmente por ordenador, lo que añade facilidades al diseño y hace que sea todo mucho mas sencillo de crear.

Por todo ello y algunos datos mas que siempre se quedan por el camino, el láser se espera que se abra aun mas paso en la industria para convertirse en uno de los métodos mas utilizados, como el fresado normal o el torneado.

Corte láser

El corte láser es la base de todas las fresadoras láseres utilizadas en el mercado. Se basa en el corte del material a través de un haz de fotones a muy alta potencia. En un principio se utilizó el láser de CO2 , en su mayoría en maquinas de corte de 2 dimensiones, ya que ofrece la gran ventaja para la industria de consumir pocos Watios en relación a los Euros invertidos, lo que lo hace muy barata a la hora de utilizar, ademas de dar una calidad muy alta cuando se utilizan potencias muy altas y que el láser de CO2 puede cortar chapas gruesas de metal. La desventaja de este método es que el haz de energía no puede ser transportado por fibra óptica ya que tiene una longitud de onda muy pequeña, lo que la hace difícil para maquinas con 5 o mas ejes.

Aunque lo común es crear series de piezas cortas o medias, dado que se trata de un proceso muy flexible, con este tipo de corte se pueden crear series mayores si se utiliza el proceso de press hardening. Este proceso se basa en el tratamiento térmico de la chapa durante el proceso de conformado, lo que se hace mediante la deformación de una chapa en estado "blando", mientras se enfría a gran velocidad y se le da un tratamiento térmico, resultando unas piezas conformadas con resistencias de 2 a 3 veces superiores, aunque también tiene el defecto de que la pieza que se obtiene presenta deformaciones relativas al propio proceso de tratamiento térmico al que se le somete y es necesario dar un ultimo corte con el láser para dar las tolerancias para las que fue diseñado, siendo esta mejor opción que los troqueles usados convencionalmente, ya que no se presenta desgaste. Así, con este cambio, el numero de series fabricadas pueden aumentar de una forma muy considerables, hasta el millar de piezas. Este cambio supone una revolución para las piezas que necesitan estos tratamientos. Si se trata de chapas finas (de entre 2 a 3 milímetros), en ese caso se utilizara mas el láser de Nd-YAG, por tener un rendimiento mayor para este tipo de operaciones.

La potencia del láser a la hora de cortar depende del tipo de material y la velocidad a la cual se va a mecanizar la pieza. Depende del tipo de material ya que cada material tendrá unas propiedades diferentes y una estructura y una capacidad de absorción de energía diferente. La velocidad también influye ya que si se pasa a velocidades superiores el láser no cortara el material y si va a velocidades inferiores se perderá el tiempo en un procedimiento que ya esta acabado.

Taladrados y punzonado por láser

Las técnicas que se utilizan en los procesos del taladrado y el punzonado son las mismas que las utilizadas en el corte mediante láser ( para efectuar un corte por láser hay que realizar un taladro previo ). Aunque en este apartado nos centraremos en el taladrado, es extrapolable a el punzonado.

El taladrado láser hace que sea posible mecanizar agujeros muy pequeños y precisos en una variedad de formas y orientaciones en una amplia variedad de materiales , incluyendo aleaciones aeroespaciales (difíciles de mecanizar) . Estos orificios pueden ser cónicos o en prácticamente cualquier otra forma para mejorar la cantidad y dirección de aire o líquido que fluye a través de tales agujeros. La perforación de agujeros en las piezas del motor aeroespacial / turbina generalmente sirve para mejorar las características de enfriamiento del material. Estos agujeros pueden ser perforados en ángulos extremos respecto de la superficie . Cientos o miles de agujeros de refrigeración pueden ser perforados en una sola pieza con un solo conjunto en forma cilíndrica o partes de forma poco habitual. Un láser de alta potencia del tipo Nd-YAG se utiliza de forma habitual, raras veces se utiliza un láser de fibra , o con las partes no metálicas se puede utilizar un láser de CO2. En el proceso de perforación se lleva a cabo mediante el uso de un láser de alta potencia y un tamaño de punto enfocado de 0,05 milímetros a 0,75 milímetros.

También se utiliza un gas de ayuda para eliminar el material fundido desde el orificio por un flujo coaxial llevado durante el movimiento del pulso de láser. La perforación por percusión se puede lograr con o sin gas auxiliar. Si no se utiliza un chorro de gas,se debe de emplear un método alternativo protección de la lente. El oxígeno puede ser usado en los procesos que den una reacción exotérmica utilizable en gran variedad de metales . Perforación por percusión exotérmica proporciona la limpieza de metal de forma más eficiente. El gas inerte o el también se pueden utilizar en la perforación de percusión . La perforación por percusión puede ser definido como la entrega de uno o más impulsos del láser a una parte mientras que el haz de láser y la pieza no se mueven. Más de un pulso puede ser necesitado en función del espesor del material. Una variación de perforación por percusión es " de perforación en la marcha ", donde los impulsos se dan a la parte por un láser estacionario mientras que la pieza se hace girar sobre un eje . Colocación del agujero es en función de la velocidad de rotación y la frecuencia de pulso del láser. Si son necesarios múltiples pulsos , CylPerf , un paquete de software desarrollado por los ingenieros de LASERDYNE , se puede usar para sincronizar el movimiento de la parte para los pulsos del haz láser, lo que garantiza que múltiples impulsos se suministran a la ubicación exacta que se necesita. Gracias al cambio de la energía del haz de láser, de las características del tamaño del agujero perforado, del numero de impulsos o distancia focal del objetivo y la conicidad se puede hacer que el haz de rayos láser corte el material de forma que cumpla los requisitos de diseño de la pieza. Software CylPerf también puede cambiar el tipo del pulso durante el procedimiento para mejorar la forma del taladro.

La trepanación es otro proceso para perforar agujeros . El material se mantiene inmóvil y el haz de láser se mueve para crear un agujero u otra geometría mediante la reducción de la forma . El término " perforación " se utiliza generalmente hasta que el diámetro del agujero o la característica excede el espesor del material . La entrada en la industria de nuevos métodos extremadamente precisos y repetibles de posicionamiento láser nos permite funciones trepanación con unas tolerancias muy precisas y de valores muy bajos ( de hasta micras ). El taladrado del agujero en forma es un tipo nuevo y emergente de trepanación donde los diseñadores de la industria aeroespacial, y en especial los diseñadores de componentes de turbinas,han aumentado la flexibilidad cuando se pretende crear nuevos diseños y tipos de refrigeración.

Tecnología de taladrado de un agujero con haz láser se emplea en todos los motores de turbina que se van a utilizar en aplicaciones de generación de energía, aeronaves y/o en la tierra . Los diseñadores de automoción, ingenieros y fabricantes de filtración médicos son algunos de los otros tipos de oficios en los que son usuarios de la tecnología láser, los cuales no serían capaces de fabricar sus partes sin el proceso de perforación por láser.

La energía o potencia media del láser está determinada por la frecuencia del pulso y energías de impulso elegidos. La energía está limitada por el ciclo de trabajo en el que un láser puede funcionar sin disminución del rendimiento. La fuente de alimentación y el diseño del resonador también limitan al máximo la potencia del láser que puede ser utilizada. La perforación de percusión se realiza utilizando la potencia media menos de 100 watts a 400 watts, dependiendo de la profundidad del agujero y tamaño. La duración del impulso se toma la mas adecuada para optimizar la calidad del agujero . Con las longitudes de pulso más cortas se puede limitar la energía máxima alcanzable en un solo pulso . Las longitudes de pulso de perforación habituales varían de 0,5 a 2 microsegundos .

La frecuencia de impulsos se parametriza para lograr un equilibrio óptimo entre rendimiento y la calidad deseada. La frecuencia de pulso que se utiliza para rangos de perforación de percusión de 5 a 200 Hz (con láseres de Nd-YAG ) y hasta 1000 Hz con láseres de C02 .

El pulso de energía necesaria se elige, fundamentalmente, composición, por el espesor del material y diámetro del orificio sea necesario. La energía de pulso superior también ofrece tarifas de perforación de mayor velocidad, pero esto también puede ser poco recomendado ya que disminuye la calidad del taladro.

Las lentes de enfoque determinarán el tamaño área de incidencia para una configuración dada por el haz láser. El tamaño del punto se corresponderá con el diámetro del agujero que se desea perforar. El tamaño del punto de incidencia es igual al tamaño del agujero en los metales más finos ( es decir , menos de 0,25 milímetros ). A medida que aumenta el grosor del metal , la variedad de diámetros de agujero que pueden ser perforados de percusión se vuelve cada vez menor. Los metales más gruesos y los agujeros más grandes utilizan un uso de longitud focal más grande, longitudes focales que por lo general van desde 1 centímetro a más de 10,0 centímetros .

La posición focal puede ser óptima por encima, por debajo o en la superficie de la pieza de trabajo en función de los resultados que se busquen. Lo mas habitual es centrarse en porcentajes de 5-15% del espesor del metal por debajo de la superficie . El mejor enfoque para un resultado buscado con frecuencia será determinado de forma empírica después de la evaluación de la calidad que se desee tener en el taladro. La calidad del agujero está basado en la redondez , refundir, forma cónica y microfisuras.

Las investigaciones en este área de conocimiento están centradas en la realización de taladrados con la máxima energía posible disminuyendo los tiempos de aplicación, sin llegar a reventón el agujero taladrado, dado que, en la práctica, por motivos obvios de aseguramiento de la calidad de la pieza, son excesivamente pequeños y los tiempos de interacción del laser sobre la pieza demasiado altos.

Tratamientos superficiales

Dentro de las aplicaciones del láser dentro de la industria desde su aparición en la misma ha sido el de dar un tratamiento superficial a la pieza. Esto es muy ventajoso, ya que en una sola maquina puedes cortar (desbastar) y dar un tratamiento superficial (acabado) y así finalizar la pieza sin necesidad de que se cambie de maquina o muchas veces de herramienta, ya que el láser mismo puede variar su potencia y frecuencia para adaptarse al proceso que se vaya a utilizar. Algunos ejemplos de estos métodos son el aleado superficial, el laser shock processing, la limpieza de superficies, el texturizado, el templado láser y el aporte por láser.

Aleado superficial

Esta técnica permite modificar las propiedades mecánicas en la superficie de la pieza con la que deseamos trabajar. Esta técnica se basa en la combinación de un elemento para la aleación, que puede estar en forma de polvo metálico en la superficie, mas un haz de láser que sube la temperatura de la superficie para facilitarla difusión o generar un baño fundido con la combinación de el par o mas elementos involucrados. Esto da como resultado una alteración de la composición del material el en su superficie y una mejora de sus propiedades mecánicas en dicha superficie. Este método se comenzó a desarrollar en la década de 1980, y se empezó a extender por la industria con la creación de diodos de alta potencia, los cuales daban un tamaño de haz bastante aceptable. El proceso ha ido evolucionando muy notablemente desde la época de 1990 hasta nuestros días, centrándose ahora en piezas de gran valor añadido dado el coste de asociado y a la complejidad del procedimiento.

Laser shock processing

Este es un proceso orientado hacia la obtención de tensiones superficiales de compresión mediante ondas de choque. El proceso se utiliza en materiales de origen metálico sobre los que se ha aplicado una capa de pintura de color negro previamente. Dando en la superficie con un pulso de corta duración y alta intensidad se genera la vaporización de la capa mas superficial del material, es decir, la de la pintura, y ademas la generación de una onda de choque. El proceso se lleva empleando también una cortina de agua muy transparente respecto al haz láser, que sirve como medio de confinamiento de la onda de choque de modo que dirige gran parte del efecto de ella hacia la superficie del material. Se suele aplicar a compones de alto valor añadido que puedan fallar por fatiga del material.

Durante los últimos lustros, el proceso de shot peening ( un procedimiento basado en el bombardeo superficial con esferas diminutas ) ha sido el proceso mas habitual en el ámbito de obtener tensiones residuales de compresión sobre superficies metálicas, pero el proceso dispone de varias desventajas, como marcas en la superficie o que el proceso no es muy penetrante, por debajo de los 0,25 milímetros. Gracias al desarrollo del laser shock processing y de láseres de alta potencia, se pueden tener mayores penetraciones sin las deformaciones plásticas anteriores y con un grado de penetración bastante mejor, de hasta 4 o 5 veces mayor.

Limpieza de superficies

Un tratamiento de superficies mas a llevar a cabo con la utilización de los láseres es la limpieza de superficies con distinta naturaleza o composición. Si se utiliza de forma correcta el láser, seleccionando de forma correcta los parámetros que pueden intervenir en la operación, la concentración energética que nos puede dar el haz de fotones del láser nos permite vaporizar las impurezas que aparecen en la superficie de la pieza sin dañar el sustrato de dicha pieza. Este proceso resulta efectivo o muy efectivo para materiales de naturalezas muy distintas. Es utilizado en obleas de silicio, como en materiales mas duros o materiales de carácter metálico.

La idea básica de su funcionamiento es que el láser calienta la parte mas superficial y de este modo genera un gas en forma de plasma, que debido a la expansión de este, genera ondas de choque que se propagan a través del el material. Tales ondas se descomponen y provocan la separación de la capa mas superficial de los elementos no deseados. Es un procedimiento que se utiliza en ciertas ocasiones para la recuperación y restauración de obras de arte, ademas de poder utilizar también para la recuperación de moldes de fundición que han sido victimas de oxidación superficial. El material que vamos a salvar, a diferencia de el material que deseamos eliminar (oxido o suciedad), presenta una menor absorción del haz láser, lo que hace que el mismo proceso pare de forma automática una vez que la capa del material se ha retirado del lugar de incidencia

Texturizado

A lo que se refiere a los acabados superficiales, un proceso que cada vez se impone mas en el ámbito industrial es el del texturizado por medio láser. El texturizado se basa en la vaporización de forma selectiva del material mediante un haz de elevada intensidad y de forma muy focalizada. El texturizado láser se ha introducido en la industria en los últimos años como una opción viable y aceptable para la modificación superficial de piezas, mejorando características tales como la capacidad de carga, resistencia al desgaste del material, reducción del coeficiente de rozamiento o simplemente para buscar acabados estéticos en la pieza. Por medio de el texturizado láser se generan huellas sobre la superficie de forma controlada y estable. De esta forma, por ejemplo, se pueden realizar una serie de micro o nano orificios, de forma que tales orificios se comporten como pequeños depósitos de lubricante, así como zonas de alivio para el material que este deformado plasticamente.

Mediante el texturizado por medios láseres se vuelve posible reducir de modo importante el coeficiente rozamiento del material, aunque , sin embargo, se trata de un proceso de cierta complejidad que exige un tiempo previo de puesta a punto de modo experimental, y con una tasa de productividad pequeña. Principalmente por esta razón, solo se utiliza para series de producción muy pequeñas y a las que se quiera añadir un gran valor. Un ejemplo de su utilización es en los pistones de los coches de competición, que una vez utilizado este proceso sobre ellos, su desgaste es menor, ya que los pistones tienen menor rozamiento ademas de el lubricante adherido en los huecos creados por el haz láser.

Templado láser

El temple por láser es un procedimiento que se basa en un calentamiento zonal de el material a mecanizar, superando la temperatura de austerizacion pero sin conseguir llegar a la fusión de dicho material. Tal subida de temperatura favorece que en la superficie de la pieza se cree un cambio de la metalurgia y que proporciona a la vez a tal localización una mejora de las propiedades mecánicas. Como resultado de tal operación, se consigue un templado de la superficie con una baja aportación térmica en comparación con otros métodos de templado de superficies (como pueden ser el temple a la llama o el temple por inducción), por lo que se consigue un endurecimiento de una zona muy localizada y una disminución de la torsión geométrica de el lugar tratado, el cual es el principal problema que surge en el material al ser sometido a este tipo de temple. Por otra parte, el interés de este método se basa en la posibilidad de conseguir integrar una fuente de rayos láser muy adaptable directamente en el núcleo de la cadena de producción son que sea necesario un medio de temple a mayores del ya hecho y también en la posibilidad de crear sobre un material ya trabajado dos o mas microestructuras de naturaleza muy diferente, un núcleo dúctil junto na una capa superficial endurecida con tensiones residuales de compresión. De forma general, el enfriamiento se consigue sin ningún medio que baje la temperatura del material de forma externa, ya que la mayor parte de la pieza sigue a temperatura ambiente y tiene una conductividad térmica muy elevada. Pero , sin embargo, en ciertos casos puntuales con materiales difíciles de templar o con piezas de poca capacidad másica, se añade un gas de enfriamiento adicionalmente que favorece de forma considerable el enfriamiento. Así , de esta forma, debido a que el proceso se hace de forma muy localizada y a los enormes ratio de bajada de temperaturas para el enfriamiento que se consiguen, se puede endurecer materiales de templabilidad muy baja consiguiendo resultados muy satisfactorios con los cuales se puede conseguir a doblar la dureza sobre la parte mas superficial de la pieza.

La principal dificultad en este proceso se basa en que es necesario controlar mucho y en todo momento la temperatura a la que esta la pieza, lo cual se realiza regulando la potencia del haz del láser con la señal de un sensor de temperatura de un pirometro. Por otra parte, es importante que se ajuste el tamaño del haz de fotones del láser a la localización a la que se desea templar, ya que del mismo modo que en el resto de métodos de temple, no se deben superponer pasadas seguidas (ya que esto podría provocar una perdida de la dureza en la parte de solape por el revenido del material). Así, es muy normal utilizar láser con haces de fotones de gran tamaño como los de diodo directo, instalando en la maquinaria ademas ópticas especificas que provocan que el haz de luz láser tenga una linea de anchura deseada.

Aporte por láser

El aporte de material a través de un láser es un procedimiento que utiliza un haz de rayos láser para crear un baño fundido muy focalizado en un substrato o material base. En tal baño fundido se le inyecta un material de aporte, que depende del material de la operación y la función que se quiera conseguir, estando este en polvo o en hilo, consiguiendo una capa de material que puede tener un espesor entre 0,05 milímetros y 2 milímetros, y anchuras que pueden llegar a los 5 milímetros. La colocación de las capas unas sobre otras en la deposición puede usarse para generar recubrimientos localizados o para conseguir reparaciones en áreas deterioradas de piezas a las que se le ha dado un alto valor añadido. Por otra parte, a la horade superponer capas de material con estrategias ya previstas se pueden ir generando piezas funcionales desde una aplicación de CAD.

El procedimiento del que estamos hablando esta generando una gran espectacion tanto en grupos dedicados a la investigación como en personas dedicadas a la industria, ya que es un proceso que proporciona unas ventajas muy superiores respecto a otros procesos utilizados en la actualidad en lo que se refiere a procedimientos de tipo recubrimiento, reparación y fabricación directa de piezas. Para empezar se trata de un procedimiento que consigue una calidad a la hora del aporte de material muy por encima a otros procesos como la soldadura por arco. Por otra parte, este proceso presenta baja dilución y mínima distorsión térmica en el material. También es de gran importancia recalcar que la utilización de la tecnología láser nos da la posibilidad de un alto grado de automatización y facilita la integración del proceso en maquinas convencionales sin altos costes. Todo esto hace que el aporte de material mediante láser se convierta en un procedimiento muy adaptable que ha sufrido evoluciones importantes desde su primera aparición.

Independientemente del tipo de aplicación, el aporte de material mediante la inyección de polvo es actualmente el mas extendido en el seno del los sectores industriales, debido mayoritariamente a la buena calidad del cordón que se obtiene y a la gran utilidad de la técnica. Existen principalmente dos maneras distintas de inyectar el material en la área del baño fundido, siendo estas lateralmente o coaxialmente. Los métodos basados en boquillas laterales son muy simples y también baratos, pero solo dan la posibilidad de aportar en la dirección de inyección de polvo. Para que este problema no no afecte, una de los remedios adoptados es la combinación de distintas boquillas laterales obteniendo los llamados sistemas coaxiales discretos que nos permiten que el aporte en la dirección que sea e incrementan la versatilidad del procedimiento de manera muy notoria. Tales métodos son algo mas sencillos y robustos, así que su uso en la industria es bastante mas extendido. Sin embargo, los sistemas no optimizan la inyección de los polvos en la localización de aporte por lo que se inventaron los sistemas coaxiales continuos. Las boquillas coaxiales continuas se basan en dos conos coaxiales al haz láser entre los cuales se confina el flujo de polvo inyectándolo de la mejor forma posibles hacia el baño fundido. Este procedimiento tiene un mayor coste en parte por su complejidad, pero dado que las ventajas que proporciona son mayores, hace que también este muy extendido en la actualidad.

El aporte por láser se emplea como un proceso del tipo Near-Net-Shape , en el que se obtiene una forma muy parecida a la final. Así, se reduce el mecanizado siguiente a la pieza a la menor parte posible y se ahorra material al comienzo de la operación. Las principales industrias en las cuales se esta utilizando es en la creación de componentes de alto coste, como los molde, la turbomaquinaria, las matrices de estampación… También se utiliza en piezas individuales hechas a la medida del cliente, como pueden ser implantes para la medicina o piezas para satélites que van a estar en el espacio y algún componente de el sector aeroespacial. Sin embargo, poco a poco hay mas interés en esta tecnología para que sobre un material mas tenaz se aporte un material mas duro, combinar las superficies de materiales mas diferentes o diferentes conductividades térmicas y mas aplicaciones.

Soldadura láser de plástico y metal : Ybrido

Bajo la necesidad de fabricación de estructuras mas ligeras, que de cabida a reducir el consumo energético y el impacto medioambiental, se esta empezando a impulsar la inserción de materiales híbridos y compuestos plásticos-metales en la industria. Por una parte, los polímeros proporcionarían un peso y precio mas reducido, ademas de ser mas adaptables en cuanto al diseño como a la fabricación de los componentes. Por otra parte, las piezas metálicas dan la resistencia y fiabilidad a la estructura que se desean en la mayoría de los caso. Bajo estos datos, el desarrollo de nuevas formas de unión podría proporcionar una mejor relación calidad/precio e incrementar la competitividad de la industria actual. Se prevee que los procesos de unión térmica como la inducción electromagnética y la unión láser de materiales disimilares representan métodos alternativos y que presentan bastante innovación con la capacidad de sustituir a algunos de los procesos mas convencionales como pueden ser las uniones mecánicas, las uniones adhesivas o la sobre inyección ademas de otras muchas, ampliamente utilizados en diferentes sectores como la automoción, la electrónica, la aeronáutica o la fabricación de aparatos domésticos, por ser procedimientos mas competitivos y fiables.

Con esta idea surge Ybrido, un proyecto de I+D+i que esta bajo financiación de la Comisión Europea dentro del séptimo programa marco, y que se esta gestando en colaboración entre varias empresas europeas y centro de investigación en el País Vasco, Alemania,Italia, Irlanda y Suiza. Este proyecto esta suponiendo un gran avance en la fiabilidad estructural y el control de calidad de las uniones híbridas, mediante el desarrollo de herramientas de simulación numérica y diversas sistemas de fabricación con la capacidad de determinar el comportamiento mecánico de las uniones, así como la anticipación de la presencia de defectos en las piezas a partir de las señales recogidas por un sistema de supervisión desarrollado en el maro del proyecto.

Ademas, se están desarrollando accesorios como ópticas, utillajes y inductores adaptados específicamente al proceso de unión plástico-metal.

Al liderazgo del proyecto se encuentra TECNALIA, que aplica su experiencia y conocimiento sobre los procesos de unión láser y sistemas de supervisor, con el objetivo en mente de adaptar el sistema de soldadura láser por transparencia a la fabricación de estructuras híbridas plástico-metal. Tal método se basa en el aprovechamiento de la capacidad de transmisión por transparencia que presentan los principales polímeros termoplasticos cuando se incide con ellos una fuente de radiación láser. El haz de rayos láser calienta directamente la superficie metálica y este por conducción funde el termoplastico generando uniones ocultas de mejor apariencia estética.

Marcado por láser

El procedimiento que se usa habitualmente para realizar el marcado mediante láser es por desplazamiento del láser. Con este método se utiliza un haz láser de potencia media en la superficie. El haz de rayos láser se focaliza mediante una combinación de espejos de manera que sigue el trazado de la forma que se quiere marcar. En función del tipo de material y la superficie que se va a marcar, se utilizan distintos tipos de láseres, CO2 o Nd:YAG habitualmente.

En la actualidad pueden marcarse una gran variedad de materiales: vidrio, metálicos, plásticos, etc… La profundidad de la área trabajada va desde unas pocas micras ( marcado de superficies ) a las décimas de milímetros ( marcado de profundidad ). La superficie tope de marcado es el área de un cuadrado de 10×10 centímetros. Mediante el uso de equipos especiales de potencias no demasiado altas o bajas se puede realizar el marcado de piezas de envasado, sobre todo papel, con la información sobre el numero de piezas fabricadas por lote y fechas de consumo preferente.

El marcado por haz de rayos láser de metal, como el acero, el aluminio anodizado y la chapa de metal, es un tema en evolución dentro de las diferentes industrias y sectores. Se utilizan para que piezas salgan de fabrica con el correspondiente código de barras, número de serie, código matricial de datos o logotipo de la empresa. Los rotuladores por láser se adaptan de forma muy buena a este trabajo, ya que producen una marca en metal con estabilidad térmica y química en piezas de trabajo. El marcado a través del uso del haz láser se caracteriza por unas elevadas velocidades de mecanización, precisión y flexibilidad.

Fresado láser 3-D

Fresado láser 3D es un nuevo proceso de mecanizado por láser que utiliza un rayo láser para mecanizar en el espacio tridimensional una amplia variedad de materiales. El mecanizado láser 3D funciona como estereolitografía ( impresión en tres dimensiones capa por capa) , sólo que al revés que esta. En lugar de la impresión de una sola capa objeto cada vez, el material se elimina en una capa a la vez ( es decir, se elimina todo en la misma pasada ). El material es eliminado de la pieza por medio de la ablación ( retirada de las capas mediante el uso de un haz láser ) .

Cuando se programa un trabajo de mecanizado láser 3D, la programación debe de dividir el trabajo por cada pasada del láser, en capas de por lo general dos micras de espesor . La máquina se programa para eliminar el material sólo del área que constituye la capa en la que vamos a trabajar . El material se retira por la capa que ha pasado el láser, una pasad a la vez, en un patrón de trama hasta que se mecaniza la forma 3D .

La frecuencia de láser , la velocidad y la corriente se controlan como parámetros de usuario a la máquina de láser para distintos tipos de materiales, velocidad de corte y el acabado de la superficie de la pieza. Fresado láser 3D es adecuado para una gran variedad de materiales que incluyen materiales duros, como tungsteno, carburo y cerámicos. Es posible conseguir fresados de cavidades con paredes rectas y curvas complejas . Sin embargo, las socavaciones no son posibles y curvas poco profundas tienden a mostrar entre las capas los pasos del rayo láser.

Mecanizado láser 3D es un procedimiento de "programar y olvidar" , en el cual , una vez se ha programado , no hay ninguna otra tarea que requiera la presencia del operario, es decir, esta totalmente automatizado, lo que permite sin problemas , el mecanizado sin supervisión por parte de nadie mas, y la liberación de los operadores para otras tareas.

Las principales limitaciones de este proceso son que los tiempos de eliminación de material son lentos y la visibilidad de los pasos del láser entre cada pasada. Sobre todo en las curvas de poca profundidad , los pasos son bastante visibles , pero pueden ser disfrazados con los nuevos procedimientos de eclosión de superficie disponibles en el software de programación.

En esta imagen se pueden ver los ejes principales de una maquina de fresado láser, que son prácticamente los mismos que los de una fresadora normal, lo que hace mas fácil su uso y programación para el operario.

Micro fresado láser

En el fresado con láser un haz de láser es enfocado sobre la pieza de trabajo, para la eliminación del material de capa por capa. Al igual que con el fresado tradicional, el patrón de movimiento puede ser diferente para cada capa, y como resultado de esta forma de mecanizado 2.5D puede producir estructuras de superficie en forma de 3D.

Los parámetros del láser y el patrón movimiento del láser tienen una gran influencia en el proceso. La generación de patrones de escaneo mas adecuados para el uso del láser, junto con un control preciso del láser y sistema de movimiento, son clave para lograr la alta calidad del micro fresado láser . Lightmotif desarrolló un software de control optimizado para sus máquinas que permite realizar micro – fresado con la mayor precisión alcanzable .

La precisión que se puede lograr ( en movimientos superficiales, así como en la profundidad ) está normalmente en un intervalo de micrómetros. El resultado final del micro fresado láser, en términos de precisión y calidad de la superficie, no sólo depende de los parámetros del proceso, sino también de la composición y el acabado del material utilizado. Los mejores resultados se obtienen generalmente con un grano fino o una estructura del material amorfo y una superficie pulida , a la hora de empezar.

Los procesos de láseres ultracortos generan muy poco calor en el interior del material procesado y no aplican fuerza mecánica alguna. Como resultado, no hay defectos relacionados con el calor se producen ( no hay rebabas, estrés térmico , fundir , picar, o formación de grietas ) y los sustratos muy finos se pueden procesar sin romperse ni deformarse. Los metales y polímeros pueden ser mecanizados, así como los materiales que son más difíciles utilizando otras técnicas, tales como cerámica, vidrio, y materiales compuestos.

Aplicaciones del micro fresado láser

Las aplicaciones típicas son la formación de micro moldes, las estampas, herramientas de corte, y mecanizado de estructuras "lab-on -a-chip" y otras herramientas de tamaño muy reducido o micrométrico .

Para aplicaciones de laboratorio en un chip de fresado con láser se puede utilizar para fabricar las estructuras de microfluidos ( canales muy pequeños a través de los cuales fluirá un fluido ) . Esta tecnología puede lograr canales de alta relación de aspecto , la introducción de una profundidad variable en los canales , y taladrado de agujeros directamente en la oblea para las conexiones de microfluidos . Especialmente para la creación de prototipos rápidamente el láser de pulso ultracorto es muy atractivo .

La capacidad de precisión y la capacidad de reproducción de la máquina de formas complejas en materiales muy duros hace que se pueda usar para la fresadora para el corte herramientas o estampas.

Los procedimientos del micro fresado láser se pueden aplicar a un objeto de cualquier tipo de forma la que se desee mediante el uso de los sistemas de 5 ejes y software de micromecanizado 3D .