Entusiasmo por la tecnología láser de estado sólido

La velocidad de corte, la facilidad de operación y el poco requerimiento de mantenimiento de esta nueva tecnología de corte láser están atrayendo a los fabricante

September 13, 2013

Entusiasmo por la tecnología láser de estado sólido - TheFabricator.com

La tecnología láser de estado sólido, con su flexibilidad y velocidad, se está abriendo paso en los talleres. Foto cortesía de Amada.

Hace alrededor de una década, los láseres de estado sólido empezaron a cortar metal delgado principalmente en plantas de fabricantes de equipo original (OEM). Desde entonces, los fabricantes de equipo han enfrentado las limitaciones iniciales del espesor de los materiales y están ideando formas de expandir la capacidad. Si agregamos una capacidad más amplia de corte de materiales a la velocidad, facilidad de operación, bajo mantenimiento, bajos costos de operación y capacidad de cortar materiales exóticos y recubiertos, los láseres de fibra se están abriendo paso en talleres que producen números reducidos de partes a partir de una alta mezcla de materiales.

Aunque la generación del rayo varía dependiendo del tipo de láser, un láser es un láser, de acuerdo con Tracey Ryba, gerente de productos láser del Centro de Tecnología Láser de TRUMPF, en Plymouth, Michigan. “Se tienen cuatro componentes básicos: una fuente de bombeo, un medio activo, un dispositivo óptico posterior y un acoplador de salida. La principal diferencia con la tecnología láser de estado sólido es que los cuatro componentes básicos están integrados a diferencia de los láseres de CO2. Se trata de láseres con longitud de onda de 1 micrón que le permiten conectar una fibra de alimentación y llevarla a su sistema, alimentando potencia láser a la pieza de trabajo, como una manguera de jardín lleva agua a donde se necesita. Esto eli-mina la necesidad de óptica para alimentación del rayo”.

Diodos láser de baja potencia excitan una fibra dopada con iterbio para generar el rayo láser.

“Dentro de esa fibra activa hay una fibra óptica pequeña, de alrededor de 20 micrones, y el elemento de tierra rara iterbio”, dijo Jason Hillenbrand, gerente de productos láser de Amada America, Buena Park, Calif. “Cuando la potencia concentrada de los diodos láser interactúa con el iterbio que está dopado en el cable de fibra óptica más pequeño, gene-ra fotones de luz de manera similar a lo que ocurre en un láser de CO2”.

Pierandrea Bello, gerente de proyectos de Salvagnini America, Italia, explicó. “De acuerdo con la potencia de la fuente, puede haber varios módulos de diodos láser, cada uno con una fibra dopada activa. La potencia de cada módulo se manda a un combinador para lograr la salida de potencia. Del combinador sale una fibra externa para llevar el rayo al área de trabajo.

Confinado en la fibra, el rayo de 1.07 a 1.08 micrones es guiado de manera precisa y puede enfocarse en un punto muy pequeño. La densidad de potencia concentrada en el rayo delgado corta diferentes espesores de material sin necesidad de cambiar las lentes de corte. Si comparamos un láser de CO2 de 4 kW con uno de estado sólido de 4 kW, la velocidad de corte del láser de estado sólido puede ser de dos a cinco veces la del láser de CO2 para materiales de hasta alrededor de ¼ de pulgada. De 30 a 50 por ciento de la potencia de estado sólido entrante es convertida en potencia de corte, en comparación con alrededor del 10 por ciento de uno de CO2, lo cual es bueno para el consumo de energía. Debido a que menos energía se convierte en calor, el enfriamiento es más eficiente.

Para lo delgado y lo grueso

Un rayo láser de estado sólido es perfecto”, dijo Hillenbrand. “Es un modo de transferencia electromagnética TEM00, que es una curva de campana de Gauss perfecta. Eso significa que toda la energía se concentra en un punto o área. Cuando esta energía se enfoca a través de una lente de corte, los watts unidad de área es sumamente alto debido a que el ancho de corte es sumamente pequeño.

“cuando se corta material más delgado, el TEM00 en un láser de fibra o estado sólido no abre mucho el ancho de corte, así que el gas auxiliar tiene dificultad para entrar al corte. Hay más bolsas de calor, y hablando en términos generales, más estrias en el borde de materiales gruesos. Pero siendo la calidad de corte algo subjetivo, el acabado un poco más tosco del borde puede no ser un proble-ma”, dijo Hillenbrand.

Todo se reduce a la absorción. “La longitud de onda de 1 micrón absorbe más rápido. Esto significa que usted puede cortar el material así de rápido. La energía es absorbida antes de atravesar placas gruesas al cortar a velocidades más rápidas, y queda menos energía para acabar el corte”, dijo Ryba. Así que el proceso necesita hacerse lento para permitir que la energía atraviese material más grueso”.

Brett Thompson, ingeniero de ventas del grupo de productos láser de TRUMPF, en Farmington, Conn., agregó. “La mejor absorción del rayo de 1 micrón en algunos materiales se aprecia más en el intervalo más delgado. En el intervalo más grueso, se observa una reducción en la velocidad de corte que es muy lineal para el espesor del material. Encontramos que a alrededor de ¼ de pulgada la ventaja de calidad de corte y velocidad se reduce. En material arriba de ¼ de pulgada, el borde no será tan impecable como con un CO2, aunque con varias funciones de proce-sado de TRUMPF la calidad en oxígeno es comparable, hasta a alrededor de 5⁄8 de pulgada”.

Bello dijo, “hemos trabajado para cortar materiales más gruesos de dos formas. Una es aumentando la potencia. Empezamos con láseres de fibra de 2 kW en 2008 aumentando hasta 4 kW para 2012. La otra es desarrollando nuestra propia cabeza de corte para tener mejor calidad usando la fibra”.

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Los láseres de estado sólido pueden aumentar drásticamente las velocidades de corte en material de calibre delgado usando nitrógeno como gas auxiliar. Conforme aumenta el espesor del material, la ventaja de la velocidad se reduce. Arriba, velocidades de corte del láser de estado sólido TruDisk® de TRUMPF se comparan con su láser de CO2 TruFlow®. Gráfica cortesía de TRUMPF.

El nitrógeno como gas auxiliar brinda las velocidades de corte más rápidas y elimina la acumulación de óxido a lo largo del borde cortado, que ocurre cuando se usa oxígeno.

Hillenbrand dijo, “si vemos un láser de fibra de 4,000 watts y uno de CO2, ambos cortando con oxígeno como gas auxi-liar, las velocidades son casi idénticas hasta a alrededor de ¼ de pulgada. Cuan-do ponemos nitrógeno en ambos, la fibra óptica corta cuatro o cinco veces más rápido en material delgado que el CO2.

“Al llegar a alrededor de ¼ de pulgada, ya no se puede cortar con nitrógeno porque el material empieza a ser demasia-do grueso. Puede haber un poco de escoria o rebabas. El uso de oxígeno en un CO2 y el ancho de corte mayor del rayo que ocurre con la tecnología de CO2, permiten que más gas entre al corte, creando velocidades de corte más altas que con la fibra”.

Una flexibilidad fácil

Hay muy poco mantenimiento a un láser de estado sólido, debido a que el generador no incluye partes móviles ni espejos. La trayectoria del rayo también se simplifica debido a que el rayo láser es alimentado mediante cable de fibra óptica. En la cabeza de corte pueden incluirse pocos dispositivos ópticos, pero debido al diseño simple y al hecho de que la distancia de los dispositivos ópticos entre sí es fija, no hay alineaciones de rayo ni ajustes de foco que interfieran con la operación consistente, o con los que tenga que li-diar el operador al cambiar materiales. La reducción en las variables de la máquina facilita el cambio de producción de partes de un tipo o espesor de material a otro.

“Nuestro equipo es reparable en campo, pero las reparaciones son poco frecuentes”, dijo Ryba. Todo está sellado, y el tiempo de vida esperado es comparable a sistemas de la competencia. Eso se aplica también a nuestra tecnología de disco que es casi lo mismo que la tecnología de fibra, excepto que nuestros diodos reflejan la energía en un disco antes de que vaya a la fibra. Esto crea insensibilidad a la reflexión de retorno, lo cual es muy importante al cortar cobre, bronce o aluminio. Además, con el láser de disco, no es posible dañar el láser por una reflexión de retorno”.

“La mayoría de las máquinas actuales tienen intercambiadores automáticos de boquilla y sabrán cambiar boquillas cuan-

do se cambian materiales, o limpiar la boquilla si está teniendo problemas al cortar el material. El láser tratará de auto-repararse. Si hay una pérdida de corte o un problema que no pueda solucionar, se detendrá y mandará una alarma. Las máquinas de fibra óptica son tan rápidas que se tienen que automatizar estos procesos para obtener el tiempo máximo en funcionamiento”, dijo Hillenbrand.

Justificación del costo

Un láser de estado sólido puede tener un precio más alto que uno de CO2, en parte debido a que se necesita un recinto completo para una operación segura. Existen láseres de fibra caros con accionamientos lineales para aprovechar al máximo el posicionamiento para las velocidades de corte, así como láseres de estado sólido económicos que se basan en sistemas de accionamiento más mecánicos como piñón y cremallera y tornillos de bola.

“Estas máquinas son más costosas que los láseres de CO2”, dijo Thompson, “pero a menos que se trate de una aplicación muy clara de CO2, nuestros clientes con frecuencia se inclinan por un láser de estado sólido debido a que el costo global de producir partes es menor, y es más fácil trabajar con él. Cortan de manera consistente día a día, cortan más rápido en muchas circunstancias, y los costos de operación son menores. En la mayoría de los escenarios, la máquina más cara es más barata pasando el perio-do de amortización. Sin embargo, un láser de CO2 sigue sin duda siendo la máquina a elegir en muchas aplicaciones, como cuando el cliente corta principalmente acero inoxidable de ½ pulgada, o si hay una cantidad muy limitada de producción que simplemente no justifique el costo de equipo adicional”.

“Estamos viendo que después de la primera inversión en un láser de fibra, un cliente invertirá rápidamente en un segundo aparato”. Eso significa que están obteniendo una muy buena amortización”, dijo Bello. Aun cuando las velocidades de corte son similares a las del CO2, el costo por hora es menor con la fibra”.


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