Ningún agujero en la historia del corte por láser moderno

Mejores sistemas de accionamiento y tecnología de perforado conducen a un mejor corte de agujeros

September 11, 2012

Ningún agujero en la historia del corte por láser moderno - TheFabricator.com

Figura 1: La tecnología de movimiento rotatorio usada en los sistemas de accionamiento de las máquinas de corte láser no significa necesariamente un paso atrás de los accionamientos de movimiento lineal. La nueva tecnología de motores rotatorios está diseñada para ofrecer un desempeño similar al de los motores lineales, mientras que consume menos potencia cuando está en operación. Foto cortesía de Salvagnini America Inc.

Cuando las máquinas de corte láser de CO2 hicieron su gran debut en la escena de la metalmecánica en la década de los 80s, la gente se preguntó sobre el futuro de la punzonadora. ¿Cómo podría la tecnología del punzonado tradicional competir con una máquina herramienta que no requería herramental para crear agujeros y formas?

Pues bien, la historia ha mostrado que el corte con láser de CO2 no significó el fin del punzonado. De hecho, las punzonadoras de precisión siguen siendo la opción tecnológica para esos fabricantes que producen alto volumen de piezas con punzonados de tamaños consistentes. Por otro lado, han surgido las máquinas de corte láser como herramientas de fabricación más flexibles. Cada una contribuye de una manera única al éxito de un taller.

Pero conforme más fabricantes metalmecánicos buscan eliminar el manejo de material de partes durante la producción, éstos buscan llevar a cabo más tareas mientras que la pieza espera en la cama de la máquina herramienta. Ésta es una de las razones de que los fabricantes estén presionando a sus máquinas de corte láser para que les brinden la más básica de las actividades de fabricación: el corte de agujeros.

Un fabricante de metales puede necesitar crear alguna hoja perforada, pero no tiene el volumen necesario para usar una punzonadora; en este caso, el láser puede cortar rápidamente los agujeros y concluir el trabajo. O quizás el taller quiera cortar agujeros con precisión para poder machuelar o crear un agujero de lado a lado para algún tipo de pieza de soporte para el ensamble final; en este caso, la capacidad de la máquina de corte láser de brindar un agujero con una tolerancia estricta elimina actividades secundarias de taladrado corriente abajo.

Estas máquinas de fabricación modernas pueden hacer dichas tareas gracias a los avances en la tecnología de accionamiento, en las capacidades de perforado y en el software de control. No se trata de máquinas de hace 20 años, que podrían haber batallado con una alimentación inconsistente del rayo y con efectos del calor ambiental sobre la consistencia. Las máquinas de la actualidad están listas para la tarea completa de cortar agujeros en materiales delgados.

Accionamiento para cortar mejor

Si una máquina de corte láser va a producir un agujero con una tolerancia estricta, la cabeza de corte necesita estar en la posición correcta. “Mientras más preciso sea el posicionamiento de su rayo láser, más preciso será el agujero”, dijo Stefan Fickenscher, gerente de producto de TRUMPH, corte láser en 2-D.

El mismo principio se aplica a las punzonadoras.

“De forma realista, sería lo mismo con una punzonadora—la precisión en el posicionamiento de la hoja a su vez se relaciona con la precisión de posi-cionamiento del agujero en la parte. Es cuestión de mover la cabeza de corte”, dijo Brian Welz, gerente de aplicaciones de TRUMPH.

Durante muchos años, la tecnología de accionamiento por tornillo de bola impulsó la cabeza de corte sobre la cama de la máquina de corte láser. La tecnología resultó muy efectiva en posicionar con precisión la cabeza de corte donde necesitaba estar. Keith Leuthold, director de ventas internas, Mazak Optonics, puso la precisión de posicionamiento del sistema accionado por tornillo de bola en aproximadamente ±0.0004 pulgadas.

“Pero no puede avanzar muy rápido, lo que no significa mucho al cortar, pero que de hecho la hace rebotar de un deta-lle de una parte a otro”, dijo Leuthold.

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Figura 2: Esta pieza de ejemplo muestra la diferencia entre el perforado por granalla clásico (izquierda) y el perforado hecho con la ayuda de sensores avanzados que pueden detectan cuándo aumentar o reducir la potencia láser (derecha).

Eso llevó a la adopción de sistemas de accionamiento de piñón y cremallera, lo cuales aumentaban las velocidades de avance, pero no podían ofrecer tanta precisión como la tecnología de tornillo de bola, de acuerdo con Leuthold.

Sin embargo, durante los últimos 10 años, la industria ha introducido una nueva opción tecnológica de accionamiento—los accionamientos lineales. Éste fue un importante paso adelante del uso de movimiento rotatorio hacia movi-miento lineal.

A diferencia de un motor rotatorio, en el cual imanes interactúan con bobinas para girar la flecha repetidamente, un motor de accionamiento lineal tiene imanes alineados lado a lado a lo largo de una guía fija, que interactúan con devanados eléctricos en el componente móvil. Cuando la corriente fluye a través de los devanados, el componente se mueve a lo largo de la guía. El componente móvil mueve la carga, en este caso la cabeza de corte, a la posición deseada. Un codificador asegura la ubicación precisa de la cabeza de corte.

“Lo que los accionamientos lineales nos han permitido a nosotros y a otros más es disfrutar lo mejor de dos mundos. Son sumamente precisos y sumamente rápidos. El tiempo de respuesta ahora se mide en Gs de fuerza. Algunas máquinas son de hasta 3G ó 4G en aceleración y desaceleración”, dijo Leuthold.

Sin embargo, los sistemas de accionamiento lineal no son la única opción para los fabricantes metalmecánicos. Los sistemas de piñón y cremallera siguen usándose ampliamente por su confiabilidad y accesibilidad. De hecho, la tecnología sigue mejorando para responder a la velocidad de los láseres de estado sólido que se encuentran cada vez más en los talleres metalmecánicos.

Salvagnini introdujo un sistema de accionamiento patentado en 2011 que fue diseñado específicamente para corte con láser de fibra (vea la Figura 1). (En el corte con láser de fibra, se produce un rayo láser de estado sólido cuando los láseres de diodo emiten longitudes de onda electromagnética específicas hacia fibras ópticas, similares a los usados en la industria de las comunicaciones. La e-nergía del láser que se crea en esas fibras ópticas se alimenta luego a través de una fibra óptica de transporte a la cabeza de corte). El posicionador de la cabeza de enfoque es accionado por un par de motores rotatorios, lo que permite que la cabeza de corte se mueva en una distancia de 6.7 pulgadas (17 cm). Esta estrategia de sub-ejes X-Y no es nueva para el corte con láser, más bien es diferente en el sentido de que la cabeza de corte no es cargada con el peso extra de un sistema de enfriamiento dedicado o con reglas ópticas.

“En realidad nosotros no cambiamos nada en los ejes principales X y Y. La cabeza de posicionamiento, debido a su peso ligero, puede acelerarse muy rápido”, dijo Bill Bossard, presidente de Salvagnini América. “Esto de hecho elimina la necesidad de que los accionamientos lineales alcancen un alto desempeño al cortar esos nidos de láser que tienen muchos atributos muy cercanos entre sí. Ésta se mueve rápidamente por sí misma sin siquiera mover mucho los ejes principales”.

Bossard dijo que la cabeza de corte puede alcanzar una aceleración hasta de 5G, que ayuda a cortar más partes por hora—incluso si esas partes tienen muchos agujeros. (Para saber más sobre el proceso de corte de agujeros de los láseres de fibra, vea el recuadro La Fibra encuentra su camino).

Por lo tanto, las máquinas modernas de corte láser de la actualidad tienen sistemas de accionamiento que pueden tener la cabeza de corte en una posición precisa en un parpadeo, pero ¿qué ocurre cuando el láser está a punto de hacer ese corte inicial?

Entendiendo el perforado

Antes de que pueda hacer un agujero, el láser primero necesita perforar el metal. Ese paso establece la base para el resto del corte.

Durante muchos años los fabricantes metalmecánicos tuvieron que confiar en el perforado por pasos o intermitente para producir agujeros precisos. La cabeza de corte se quedaba en un punto hasta que el láser cortaba el material. Desafortunadamente, esto tardaba varios segundos; para materiales gruesos, podía tardar hasta 25 segundos. Además, el prolongado proceso de corte exponía el material a mucho calor, lo que aumentaba el riesgo de cambios metalúrgicos.

Más tarde, los constructores de máquinas herramienta introdujeron el concepto de perforado con granalla. El resonador se puso a potencia máxima, y el disparador se abrió para liberar una poderosa ráfaga de energía.

“Atraviesa bien el material”, dijo Leuthold.

Desafortunadamente, este chorro de granalla creaba un efecto volcánico, donde metal fundido fluía y dejaba salpicadura por toda la hoja metálica. La gran liberación de potencia láser también producía cráteres, lo que no mejoraba en nada la capacidad de la tecnología de hacer agujeros pequeños y precisos.

La tecnología de control avanzada ayudó a refinar la potencia de perforado de las máquinas de corte modernas. Ahora se usan sensores para detectar cuando se necesita un aumento o una reducción de la potencia láser para producir una perforación limpia y rápida (vea la Figura 2).

“Lo que los sensores están haciendo ahora es que en realidad están monitoreando la deflexión del rayo”, dijo Fickenscher. “Cuando la deflexión del rayo está aumentando, bajamos la potencia láser. Y si hay una pequeña deflexión del rayo, entonces la subimos”.

“Esto nos da la oportunidad de hacer agujeros más pequeños incluso en materiales más gruesos”, agregó Welz. “Y no sólo de hacerlo, sino hacerlo de manera consistente y repetitiva, lo cual es la clave para la producción”.

Leuthold agregó que este enfoque ha ayudado a limitar esa cantidad de deformación del material que podría ocurrir en la pieza de hoja metálica, debido a que el material ya no está expuesto al calor por un tiempo prolongado.

“De hecho, estamos obteniendo agujeros tan precisos como los que obteníamos con perforado por pasos, o incluso más precisos, pero a las velocidades del perforado con granalla”, dijo.

Otro descubrimiento reciente ha sido la introducción del perforado sobre la marcha (on-the-fly). En lugar de que la cabeza de corte perfore el material en medio del agujero que se pretende hacer, la perforación se hace directamente sobre el contorno del agujero con la cabeza de corte a plena velocidad.

Fickenscher dijo que este enfoque es adecuado cuando un fabricante metalmecánico desea hacer el número máximo de agujeros en una cantidad mínima de tiempo. La perforación sobre la marcha sí reduce en cierta forma la calidad del agujero, debido a que la perforación ocurre en el borde del agujero, pero es muy probable que el fabricante metalmecánico que prefiere este tipo de perforación esté más interesado en la velocidad que en la calidad del agujero.

El equilibrio entre velocidad y calidad

En cierto modo, la misma interrogante que existía hace más de 25 años existe ahora. Los avances en la tecnología de los sistemas de accionamiento, de perforado e incluso de control, permiten a las máquinas de corte láser brindar un buen desempeño en el corte de agujeros, pero si el taller metalmecánico excede los límites de la máquina, la calidad global puede verse afectada.

“existe un entendimiento de que hay un toma y daca en un proceso de manufactura”, dijo Welz. “Para lograr consistencia, tienen que devolverse otras cosas. Por otro lado, cuando usted renuncia a esa consistencia, regresa lo demás—velocidad y procesamiento. Usted tiene que sopesar una cosa contra la otra”.

Las máquinas de corte láser pueden hacer cosas extraordinarias, especialmente en comparación con la tecnología 10 años más vieja; pero no están diseñadas para exceder las especificaciones del fabricante de la máquina de corte láser por tiempos prolongados. Por eso, si un arco azul está presente durante el corte de agujeros con nitrógeno o si hay chisporroteo excesivo durante el corte, es posible que el operador sólo quiera desacelerar.n



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