¿Como funciona una fresadora láser en su conjunto?
A continuación, se va a mostrar detalladamente como funciona una fresadora láser en su totalidad, basada en la fresadora inventada y patentada por el señor Xinbing Liu y el señor Chen-Hsiung Cheng,ambos de estados unidos. Aunque nos vamos a centrar en una fresadora en particular, el método es muy parecido para todas, cambiando ciertos procesos que han podido evolucionar
Como se puede ver en la imagen primera, hace referencia una simplificación al sistema de perforación del láser, cuyos elementos pasaremos a definir en este momento: una fuente de rayos láser ( 105 ) , un haz de fotones ( 107 ) , un obturador ( 110 ) , un atenuador ( 115 ) , un expansor del haz ( 120 ) , una placa giratoria de media onda ( 125 ) , un primer espejo ( 108 ) , un segundo espejo ( 117 ), un tercer espejo ( 121 ), un cuarto del espejo ( 122 ), un espejo de escaneo ( 130 ) , una lente de escaneo ( 140 ), y la pieza donde se va a realizar el corte ( 155 ). La colocación en la fresadora seria la que se muestra en la imagen. Una breve descripción de las operaciones del sistema de perforación láser se proporcionaran a continuación. Para modelos diferentes a este, algunos elementos pueden ser cambiados o reemplazados, pero en general se puede seguir el esquema. Su forma de trabajo en funcionamiento seria la siguiente: el láser emite un haz de micrómetros ( 107 ) a lo largo del camino óptico. El láser ( 107 ) se propaga a lo largo del camino, donde incide sobre el espejo ( 108 ). En el primer espejo ( 108 ) redirige haz ( 107 ) a lo largo el camino, donde incidirá sobre el obturador ( 110 ). El obturador ( 110 ) se abre y se cierra para iluminar selectivamente el material que vamos a mecanizar. El láser sale del obturador y se propaga a lo largo de la trayectoria óptica de atenuador ( 115 ). El atenuador ( 115 ) filtra la energía del láser con el fin de comprobar la validez parámetros de ablación del control sean los del láser a la salida del atenuador y se propaga a lo largo de la trayectoria, donde dará sobre el segundo espejo ( 117 ). En segundo espejo redireccionará el haz , donde es incidente en el expansor de haz ( 120 ). El expansor del haz aumentara el tamaño del haz , y aumenta el tamaño de el rayo para que coincida con el tamaño de la "pupila" de la lente de escaneado . El láser sale del expansor de haz y sigue su camino, donde vuelve a ser incidente sobre tercer espejo ( 121 ). En el tercer espejo ( 121 ) se redirige el haz a lo largo de la trayectoria óptica, para que una vez mas sea incidente sobre el cuarto espejo ( 122 ).El cuarto espejo redirecciona el haz , donde se incide sobre la placa de giro medio o media onda ( 125 ), que cambia la polarización del haz. Una vez continuado su camino, golpeara sobre el espejo de escaneo ( 130 ) .El espejo de escaneo se mueve en un patrón predefinido utilizando un algoritmo de fresado ( que no se muestra ) para perforar los agujeros en la pieza de trabajo ( 155 ) .El espejo de escaneo vuelve a dirigir el haz óptico por la ruta de acceso , donde es incidente sobre la lente de escaneo ( 140 ). La lente de escaneado determina el tamaño del punto de incidencia sobre la pieza de trabajo ( 155 ). El rayo sale por la lente ( 140 ) y sale de ella, donde sera incidente sobre la pieza de trabajo. El haz da la ablación a la pieza de trabajo en un patrón de acuerdo con el que se introduce en el CNC. El ordenador envía señales al obturador y al espejo de escaneo de acuerdo con la parámetros especificado en el algoritmo de la fresadora. El uso de un pulso corto ( picosegundos ) como fuente de láser en el diseño resuelve el problema de minimizar el exceso efectos térmicos que conducen a un orificio deformado y al distorsionado de formas. Los efectos térmicos también pueden causar otros efectos indeseables, como el daño térmico a los substratos.
En referencia a las figuras 2a, 2b y 2c, es la pieza que se va a utilizar en el fresado láser ( 200 ) fresada como se describe con referencia a la imagen 3, a continuación de la figuras 2. Respecto a la figura 2d , se trata una vista de una sección transversal de la pieza de trabajo láser , una primera ablación ( 220 ) y una segunda ablación ( 230 ). Dentro esta el área objetivo ( 240 ), y un campo de trabajo de la herramienta ( 250 ). Siguiendo con la figura 2e, es una vista en sección transversal del fresado láser de una pieza de trabajo ( 155 ) , un par de medio ángulos ( 255 ) de un diámetro exterior ( 260 ), un diámetro de orificio de salida ( 280 ), y una profundidad agujero de salida ( 290 ).
Haciendo referencia a las figuras 2d y 2e , el diámetro exterior de la primera ablación ( 220 ) está predeterminado por la especificación del cliente para el diámetro exterior 260 , el medio ángulo ( 255 ), y el diámetro del orificio de salida ( 280 ) y del área objetivo ( 240 ), pero por lo general oscila entre 20 pm y 200 pm . La profundidad de la primera ablación, en el este ejemplo, es de un micrómetro. Sin embargo , la profundidad de la primera ablación puede ser tan profundo como 10 pm, o tan superficial como 0.001 pm , dependiendo de la especificación deseada por el cliente y la profundidad del agujero requerida para la pieza. Para un material dado , intensidad del láser sera más alta y/o una velocidad más lenta de fresado lineal para crear una profundidad de ablación más grande para conseguir un acabado mejor , posiblemente resultando en escalera , como paredes, como se muestra de una manera exagerada en la figura 2d .En contraste , el uso de una baja intensidad del láser incidente y/o una velocidad de fresado lineal más rápido da como resultado una profundidad de ablación más pequeña, lo que resulta optimo para la creación de paredes lisas. En un procedimiento alternativo, un agujero cónico con un contorno rectangular se puede fresar usando el proceso de fresado con láser. La área rectangular de lados a y b que define un rectángulo es ablacionada por el haz de láser sobre el área introducida en el CNC, o moviendo el rayo láser a lo largo de un ruta rectangular, y luego en espiral sobre la región designada . El proceso continúa hasta que el deseado agujero angular recto cónico se cree. El campo de trabajo de la herramienta ( 250 ) determina el tamaño de la disminución del diámetro de la segunda ablación 230 y todos las sucesivas ablaciones , basándose en el tamaño del punto de sistema de perforación láser 100 y el ángulo de conicidad deseada en el área objetivo 240 . El campo de trabajo de la herramienta se muestra en el presente ejemplo como un micrómetro , pero puede ser tan amplio 10 pm, o tan pequeño como 0.001 pm .
Ahora hablaremos sobre la figura 3 . El método ( 300 ) de fresado con láser incluye varios pasos. En la etapa ( 310 ), un operador coloca las especificaciones del cliente sobre el material de trabajo ( tal como metal , polímero , cerámica , material semiconductor, o cualquier otro material adecuado para el fresado ) para la preparación del material para el fresado láser. La pieza de trabajo ( 155 ) que usaremos en nuestro ejemplo es de 50 micrómetros a 150 micrómetros de espesor ; sin embargo, en realizaciones alternativas , las maquinas de fresado láser se pueden utilizar para chapas más gruesas. De acuerdo con el, es posible variar sucesivamente ancho de la chapa siguiendo una forma predeterminada para adaptarse a una superficie no plana o curva. Respecto a los agujeros pasantes, sin embargo , tal variación puede no ser necesaria , pero en realizaciones diferentes para agujeros no pasantes también estaría disponible esta opción. Por ejemplo, una alternativa al láser de anchura variable es la ablación sucesiva de capas de ancho uniforme de un contorno interior a un contorno exterior ya sea antes o después de perforar el orificio no pasante para una superficie no plana. El campo de trabajo de herramienta también se puede variar sucesivamente en el caso de que el contorno de la superficie no plana no se describa por medio de un ángulo. Como se redefine sucesivamente el exterior y / o interior de los contornos también puede variar en función de si la superficie es cóncava, convexa, o ambas .La variación de anchura de la capa puede ser también combinado con la variación del campo de trabajo de la herramienta y el movimiento de definición del contorno para conseguir la forma deseada.
En el paso ( 320 ), el operador define la forma deseada del agujero sobre el área objetivo ( 240 ) basado en las especificaciones de diseño. En el ejemplo , como se muestra en la figura 2e, se describe la forma del típico agujero cónico, sin embargo, en la actualidad esto no se limita solo al diseño especifico de la forma del taladro. El ángulo medio ( 255 ) normalmente oscila entre 30 – 50 grados , pero puede ser cualquier ángulo entre 10 y 80 grados , dentro de los límites físicos del sistema de fresado láser, que satisfacen la aplicación decidida por los clientes. El diámetro exterior ( 260 ) está determinado por una combinación de tres factores : El primer factor es que se desea un orificio de salida ( 280 ) de diámetro , que puede oscilar entre los 200 micrómetros hasta al micrómetro. Un segundo factor es el espesor de la pieza de trabajo ( 155 ), que se determina por las especificaciones del diseño, por lo general de 50 micrómetros a 150 micrómetros, sin embargo, esta medición puede variar según la aplicación final. Si se requiere una profundidad del orificio de salida especifica, la profundidad del agujero de salida ( 290 ) también debe ser considerados a la hora de determinar la geometría de la perforación. La tercera especificación es que el diseño especifique ángulo medio ( 255 ).
En la etapa ( 330 ), el operador determina la tasa de ablación ( o tasa de eliminación de material ) con un conjunto dado de parámetros de perforación láser. Los parámetros de dirección de acciones que dan los parámetros sobre la tasa de ablación incluyen tasa de repetición, tamaño de punto y la potencia del láser. Antes del fresado de la pieza ( 155 ), se realizan una serie de pasadas de prueba de fresado para medir y realizar ajustes en el sistema de perforación láser ( 100 ) para conseguir una mejor tasa de ablación. Una vez que la tasa de ablación es determinada, este valor se utiliza para determinar el número de contornos ( o capas ) que se requieren en la trayectoria de la herramienta dividiendo la profundidad de ablación deseado por la tasa de ablación y es incorporado en un algoritmo de recorrido de la herramienta especifica. La profundidad de ablación , en este ejemplo , es 1 micrómetro, sin embargo , la profundidad de la ablación puede ser tan profunda como 200 micrómetros o tan superficial como 0.001 micrómetros, dependiendo de la forma geométrica deseada del área objetivo ( 240 ).
En la etapa ( 340 ), el algoritmo de fresado ( o alternativamente " algoritmo de hoja de ruta " ) determina la " estrategia de perforación " utilizando la geometría del agujero , la tasa de ablación, y tamaño del punto de la deseada sistema de perforación láser. Estos parámetros ayudan a establecer el comportamiento que es requerido para pasar del diámetro exterior ( 280 ) a la medida del orificio de salida ( 260 ). El algoritmo que calcula el número de contornos que serán fresados a partir de la tasa de ablación y la profundidad de ablación ( 235 ). A continuación, se calcula el paso de herramienta ( 250 ) para cada contorno, el tamaño del punto y la conicidad deseada. El algoritmo de fresado utiliza esta información, así como la coordenadas de la forma del contorno, para guiar la perforación por láser durante todo el proceso de fresado. Para nuestro caso, la profundidad de ablación ( 235 ) se ilustra en la ablación ( 220 ) como de 1 micrómetro por capa .Estas mediciones crean un ángulo medio, que en esta realización mide 45 grados. Sin embargo , en maquinas de fresado diferentes, las variaciones en las condiciones del láser y el área del punto puede dar lugar a profundidades de ablación que van desde 20 micrómetros por capa a 0.001 micrómetros por capa , y el paso de herramientas pueden ir desde las 10 micrómetros hasta los 0.001 micrómetros.
En la etapa ( 350 ), el algoritmo de fresado realiza la ablación que ya se ha determinado para el diámetro exterior ( 280 ) dentro de la pieza de trabajo ( 155 ), como se muestran en las Figuras 4a, 4d y 2e. La ablación de la pieza dentro del área de destino ( 240 ) se hace a una profundidad predeterminada ( 235 ). se realiza, con el sistema láser, el algoritmo de recorrido de la herramienta pre-determinado en base a la tasa de ablación.
En el paso ( 360 ), el algoritmo realiza el segundo fresado de ablación ( 230 ) en el contorno exterior del área objetivo ( 240 ) dentro de la pieza de trabajo, como se muestra en las figuras . 4a y 4d anteriormente mencionadas. El paso de la herramienta ( 250 ) se determina como se describe en el paso ( 340) y es implementado utilizado en el algoritmo de la trayectoria de la herramienta ( 105 ) Ahora es cuando los parámetros del láser y del ángulo medio ( 255 ) se desean determinar dentro de la zona de ablación área objetivo ( 240 ). Para nuestro ejemplo, para lograr el ángulo medio deseado , el contorno exterior se reduce en 1 micrómetro de diámetro, mientras se mantiene una profundidad de 1 micrómetro que pasa a través del área objetivo. Para ablaciones posteriores, contorno exterior es reducido en 1 micrómetro, mientras que mantiene la profundidad de ablación de 1 micrómetro a través del área objetivo. Este proceso continúa hasta que se logre el cono de fresado y la profundidad que se desee, como se muestra en la figura 4b de antes.
En el paso ( 370 ), el algoritmo determina si el fresado ha alcanzado la forma deseada. La forma fresada se considera que se consigue cuando el algoritmo de fresado tiene completado el número de pre -set de los contornos. El ángulo medio es medido para determinar si la geometría deseada del agujero ha sido alcanzada. Si es así , el algoritmo ( 300 ) termina , y si no, el algoritmo ( 300 ) vuelve al paso ( 350 ). En algunos casos este paso se realiza fuera de línea. Es decir, el método de fresado se ejecuta con un pre – determinado número de capas. La pieza de trabajo ( 155 ) es a continuación retirada y el ángulo medio ( 255 ) se mide fuera del sistema de perforación láser ( 100 ) para determinar si cumple las especificaciones. Sin embargo , en algunas variantes de maquinas de fresado láser, esta determinación se realiza dentro del sistema de perforación láser ( 100 ).
El fresado láser de este tipo tiene varias ventajas . Una primera ventaja de este tipo de maquinas es que proporciona una manera para fresar los agujeros geométricamente repetibles utilizando procesamientos en paralelo. Una segunda ventaja es que proporciona una forma de agujeros de fresado de diferentes formas que requieren controlar los ángulos de ahusamiento ( de "pico" ). Una tercera ventaja es que proporciona un método para hacer una gran variedad de agujeros de fresado en una variedad de materiales con diferentes espesores de material. La cuarta ventaja es que proporciona una manera de fresado de materiales sin necesidad de un proceso de enmascaramiento. La quinta ventaja es que aumenta la relación de aspecto de un material fresado, es decir, deja acabados superficiales mucho mejores. Una sexta ventaja es que es un método programable. La séptima ventaja de la presente invención es que evita la introducción de escombros o restos sobre la pieza de trabajo. Una desventaja de este tipo de maquinas es que las operaciones de fresado pueden llevar mucho tiempo. Sin embargo , ninguna operación de fresado requerirá una cantidad similar de tiempo para llevar a cabo y por lo tanto no es una preocupación significativa, aunque también es verdad existen formas de resolver el mismo problema.
Haciendo referencia a la figura 4, una manera de resolver el mismo problema es utilizar un láser angular de ensamblamiento ( 400 ) para llevar a cabo el proceso de fresado. Sin embargo, como se describe a continuación, de esta manera no se permite el procesamiento paralelo de las zonas donde se quiere mecanizar. El láser angular de ensamblamiento incluye un haz de láser ( 410 ) que se propaga lo largo de la trayectoria óptica has ta un primer espejo ( 420 ) y un segundo espejo ( 430 ) y luego se enfoca sobre un área objetivo ( 450 ) de un el material ( 460 ) por una lente de enfoque ( 440 ). En funcionamiento, el láser angular de ensamblamiento gira sobre un eje vertical en un estado angular predeterminado extraído para permitir una rotación circular de 360 grados del rayo láser ( 410 ) a lo largo de área objetivo (450 ), formando de este modo el ángulo de conicidad deseado. El diseño de rotación del láser angular de ensamblamiento impide el uso de múltiples haces para el procesamiento en paralelo.
Haciendo referencia a la figura 5, una segunda manera de resolver el mismo problema es utilizar una ablación circular ( 500 ). Sin embargo, como se describe a continuación , la ablación circular hace que una indeseable acumulación de material mecanizado se quede dentro de la zona de destino. La ablación circular requiere de un haz de láser ( 510 ), un área objetivo ( 550 ), y una cierta cantidad de material ( 560 ). En funcionamiento, la ablación circular se realiza con haz de láser que se mueve 360 grados perpendicular a la de área objetivo. El haz de láser proporciona energía suficiente para eliminar el material del área objetivo. Sin embargo, los desechos de la ablación ( 520 ) se deposita en las paredes del área objetivo.
¿Que empresas podemos encontrar en el mercado?
En la actualidad se esta imponiendo cada vez mas el numero de empresas que buscan dar solución a sus problemas de precisión a través del uso de las fresadoras láser, por lo tanto y de acuerdo a las leyes del mercado, nuevas empresas surgen y otras continúan su camino para llenar el hueco de las fresadoras láser. A continuación indicare alguna de estas empresas y por encima que productos venden:
Oxford laser: Se trata de una empresa que lleva mucho tiempo en este mercado y cuenta con experiencia sobretodo en maquinas de microfresado láser. Ademas de fresadoras láser, se especializan en cualquier aparato industrial que pueda utilizar láseres, como medidores de rugosidad o contadores de partículas.
Mazak: Una de las grandes marcas en lo relativo al mecanizado, conocida por su maquinaria de gran calidad, también se ha lanzado al mercado de las fresadoras láser. Entre las maquinas de fresado que puedes encontrar en su inventario, destacan sobre todo las cortadoras en 2D y 3D, con potencias de corte bastante elevadas y muy útiles en general para metales
Prima Power: Otra empresa especializada en láseres, pero esta vez orientado a los procesos de mecanizado industrial, como corte, taladrado y soldadura, todo ello láser. Cabe destacar sus fresadoras Domino y sus taladradoras Laserdyne.
Maklab: Es una empresa que utiliza sus maquinas sobretodo para el prototipado de diseños a través del uso de los láseres.
Trumpf: Empresa alemana que recientemente ha recibido un premio para el desarrollo en Alemania. Sus maquinas son en su mayoría de tipo láser, ya sea para corte, taladrado o soldadura, llegando incluso a la marcado láser.
Knuth: Una empresa que dispone de una gran variedad de maquinas herramienta, no solo de tipo láser, si no tradicionales y en desarrollo, como corte por plasma.
Bibliografia
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http://es.wikipedia.org
Articulo de la revista IMHE "Láser, esto no ha hecho mas que empezar"
http://www.monografias.com/trabajos72/procesos-laser/procesos-laser2
http://www.laserproject.es/funcionamiento-tubo-laser-co2/
http://www.lightmotif.nl/technology/micro-milling
Autor:
Samuel Orjuela Melón
Grado en Ingeniería Mecánica ( 3º )
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