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Corte limpio con óptica láser de 1 micrón

Figura 1
Los láseres de estado sólido de alta potencia se han convertido en una manera sumamente eficiente de convertir la luz hacia un estado sumamente útil. Foto cortesía de Precitec Inc.

Digamos que usted necesita reemplazar la cubierta de su láser, la lente de sacrificio que se ha vuelto omnipresente en la mayoría de las cabezas de corte con láser de estado sólido de 1 micrón de alta potencia. Quita la cubierta, y entonces suena su teléfono celular, por lo que usted se va a otra área para recibir la llamada. Quince minutos después regresa e instala la cubierta nueva para que el láser pueda reanudar la o-peración. Carga el programa, inicia el ciclo de corte y descubre que la calidad de su borde no corresponde a los estándares. ¿Qué pasó?

El espacio de trabajo del láser no siempre es el más limpio de los ambientes. Cuando usted salió a recibir la llamada, partículas diminutas flotaron hacia el láser y la óptica de la cabeza. De acuerdo con varias fuentes de fabricantes de cabezas de corte láser, en el mundo de los láseres de 1 micrón, especialmente al usar potencias de láser más altas, una pequeña cantidad de polvo puede hacer una gran diferencia en la calidad del corte y en la vida de la óptica.

En años recientes, quienes están en el ambiente del corte de chapa metálica han adoptado el láser de estado sólido de 1 micrón, y por una buena razón. La producción de corte en material delgado puede ser soltada por mordazas, y la automatización del manejo de material aumenta aún más la producción potencial. Los sistemas son sencillos. Usted tiene una fibra de alimentación que sale de la fuente de potencia láser para conectar la cabeza de corte láser—sin espejos, ni gas láser, y el colimador que forma el rayo reside en la cabeza de corte en sí. Es una forma sumamente eficiente de transformar luz a un estado extraordinariamente útil (vea las Figuras 1 y 2).

Hasta el material altamente reflectante absorbe fácilmente la longitud de onda de 1 micrón del rayo. Debido a que el rayo tiene dicha densidad de energía alta y absorbe tan bien, además puede cortar rápidamente y con menos potencia láser. En efecto, puede hacer más con menos. Pero estas mismas características también significan que una partícula muy pequeña capturada en su trayectoria pue-de causar problemas.

En todo caso, con algunos de los dispositivos ópticos y cabezas de corte láser más recientes, los fabricantes no deben tener necesidad de acceder al interior de la cabeza de corte con frecuencia, a no ser para cambiar una cubierta. Si una o-peración requiera un cambio de lente en sitio, se hace en un área limpia separada del ambiente de manufactura. Otras o-peraciones pueden requerir enviar la cabeza a un vendedor externo para mandar limpiar la óptica o para cambiarla.

Algunas cabeza de corte láser de 1 micrón tienen óptica de enfoque a la que se puede tener acceso, mientras que otras cabezas están selladas por completo, excepto por la cubierta. “Nos estamos moviendo más hacia eliminar la posibilidad de tener la lente accesible para el u-suario en la cabeza de corte”, dijo Robert Borgstrom, presidente de Inc., Wixom, Mich. “La cabeza de corte se preconfigura para una cierta relación óptica”.

Como lo explicaron los fabricantes de cabezas de corte, limpiar o reemplazar óptica requiere que los técnicos tengan precauciones extra, pero es un pequeño precio que se tiene que pagar por la eficacia del corte del láser de 1 micrón. La mejor práctica es seguir las recomendaciones de mantenimiento explicadas por los ven-dedores de la máquina y de las cabezas de corte, por lo que no se cubrirán aquí procedimientos específicos de inspección y limpieza. Sin embargo, sin importar el procedimiento que sigan los fabricantes, un tema común prevalece: las mejores prácticas son para prevenir que entren contaminantes en la cabeza de procesamiento en primer lugar.

Fundamentos de fotónica

Dentro de algunos años, probablemente veremos éste como el tiempo del gran cambio en el ámbito del corte láser. La mayoría espera que el mercado de 1 micrón tome vuelo en los años siguientes, y las tecnologías patentadas están hacien-do máquinas más flexibles que nunca, pero sin importar los detalles detrás de estas tecnologías patentadas, todo mundo se acerca a la óptica láser en el mismo campo de juego de la fotónica.

“Hay tres principios en cuanto a cómo interactúa la luz con los materiales. El material absorbe la luz, refleja la luz, o transmite la luz”. Eso dijo Mike DelBusso, ingeniero de ventas senior de Laser Mechanisms, ubicada en Novi, Mich. “Todos los materiales tienen una combinación de estas propiedades. Cuando se trata de óptica láser, se desea obtener la máxima transmisión a través de la lente de enfoque con la menor reflectividad posible. Cuando la luz láser llega al material, se desea tener la máxima absorción de esta energía y muy poca reflectividad”.

La mayoría de las lentes para láseres de 1 micrón están hechas de óxido de silicio, el cual transmite sumamente bien la longitud de onda de 1 micrón, a diferencia del seleniuro de zinc, el cual funciona mejor con la longitud de onda de 10.6 micrones del láser de CO2. Aunque el óxido de silicio funciona mejor con la longitud de onda de 1 micrón, no conduce el calor tan bien como el seleniuro de zinc.

Figura 2
Debido a que el rayo tiene una densidad de energía tan alta y absorbe tan bien, el láser de estado sólido requiere menos potencia para cortar de manera muy rápida. Foto cortesía de Laser Mechanisms.

“El seleniuro de zinc en un láser de CO2 puede extraer calor de desperdicios en la lente que están absorbiendo energía láser”, dijo Tom Kugler, gerente de sistemas de fibra de Laser Mechanisms. “En un sistema de 1 micrón, partículas más pequeñas causarán absorción. Y cuando las lentes empiezan a absorber energía, distorsionan su manera de enfocar. Se le llama desplazamiento térmico de foco, o lente térmica. Por lo que la limpieza es muy importante”.

“La absorción es básicamente la transformación de la luz en calor”, dijo Detlev Wolff, jefe de ventas de HIGHYAG, una subsidiaria de II-IV Inc., ubicada en Saxonburg, Pa. “El calor excesivo en la óptica dañará algo. Se tiene que evitar la contaminación siempre. Esto es clave cuando se cambia de láseres de 10.6 micrones a láseres de 1 micrón. La física básicamente es la misma, pero la tecnología es bastante diferente”.

Wolff agregó que además de la lim-pieza, es crítica la alineación entre los elementos ópticos. “Así que en algunas operaciones, ha resultado no ser práctico cambiar la lente de enfoque, aunque siempre ha habido usuarios que lo hacen bien. Al final de cuentas, todo es cuestión de qué tan flexible pueda ser usted con su óptica existente. La solución ha sido usar óptica motorizada”.

Las cabezas de corte de láser de fibra están diseñadas teniendo en mente la limpieza. Detrás de una boquilla usualmente hay una cubierta de sacrificio, la cual protege la lente de enfoque encima de ésta. Encima de ésta se encuentra el colimador, el cual da forma a la luz que ha viajado a través de una fibra de alimentación desde la fuente láser. Cabezas de procesamiento modernas pueden ajustar automáticamente la posición del foco y el diámetro moviendo elementos ópticos.

Según explicaron las fuentes, dos ele-mentos ópticos—la lente de enfoque y el colimador—trabajan juntos para crear el diámetro y la posición del punto. Esto permite al sistema cortar diferentes espesores de material sin intervención manual(vea las Figuras 3 y 4).

La cabeza particular que use un taller depende de la máquina de corte que compre, y existen diversos métodos patentados. Una cabeza de corte pue-de no necesitar contar con lo último en tecnología. Incluso cabezas de pro-cesamiento básicas es posible que corten espesores múltiples, dependiendo de los requerimientos de la aplicación. Sin importar el tipo de cabeza de corte, hay una tendencia clara: en muchas operaciones, es probable que no se necesite cambiar la óptica de enfoque.

Propiedades de los materiales, perforación y gas auxiliar

En la mayoría de las aplicaciones de corte láser, el rayo en sí técnicamente no corta el material, sino que simplemente lo funde. El gas auxiliar actúa realmente como la “herramienta de corte”, evacuando el metal fundido para crear la ranura. Debe controlarse cuidadosamente la presión, especialmente durante la perforación. Antes de que el láser penetre por completo, no hay lugar para que vaya el metal, excepto hacia arriba.

La presión y el volumen del gas au-xiliar son críticos. Demasiado bajos y la perforación no penetrará de manera efectiva; demasiado altos y la salpicadura excesiva se pegará a la boquilla y a la cubierta. Un nido de partes pequeñas o con muchos agujeros puede tener muchas perforaciones. Cambios frecuentes de cubierta pueden ser una señal de que los parámetros de corte necesitan refinamiento, específicamente el flujo de gas auxiliar. Las máquinas láser de la actua-lidad tienen válvulas proporcionales controladas por el CNC, el cual extrae de una tabla de corte los parámetros que incluyen tipo de material y espesor, para porciones tanto de perforación como de corte de la operación.

Ciertos materiales producen un ambiente de corte más sucio que otros; un ejemplo es el material galvanizado o simi-lar en el cual el proceso libera partículas microscópicas del recubrimiento de zinc de la chapa. “Esto resulta en un polvo muy fino”, dijo Borstrom. “Puede entrar por todos lados”. Sin embargo, agregó que siempre que se cambien las cubiertas correctamente y se evite exponer innece-sariamente de cualquier otra manera la óptica, las cabezas de corte modernas deben permanecer limpias y libres de polvo.

Cambiando las cubiertas

Con la máquina en vacío y el área libre de humo y desperdicios, un técnico puede cambiar la cubierta de la cabeza de corte. Quitar la cubierta puede exponer la lente a la atmósfera, y entre más tiempo esté expuesta la lente, mayor será la posibilidad de que se contamine (vea la Figura 5). “Aquí es donde sugerimos tener dos cartuchos de cubierta, incluyendo uno que esté premontado con una cubierta limpia”, dijo Borgstrom. “Así que cuando se quite la vieja, se desliza la nueva enseguida. Y la cubierta nueva debe sellarse en ambas caras. La cubierta nueva nunca debe dejarse sobre un banco por ahí”.

Figura 3
La óptica motorizada cambia la distancia de los elementos de enfoque entre sí. Imagen cortesía de Laser Mechanisms Inc.

Las cabezas también pueden tener integradas sistemas de mantenimiento predictivo. “Se tiene un sensor óptico que detecta la contaminación”, dijo Wolff. “Si se tiene contaminación en la cubierta, esto cambia las propiedades ópticas, y esto a su vez cambia la contaminación. Idealmente, se desea ver la contaminación antes de que haya un cambio en la calidad óptica. Así que hay sensores allí para detectar el estado real de la cubierta”.

Algunos tienen además otra cubierta puesta sobre el colimador para proteger la óptica si por alguna razón necesita quitarse la cabeza de corte. Si se quita una cabeza, esa cubierta superior deslizable puede reemplazarse.

Una cavidad limpia de cabeza de corte

Las cabezas de procesamiento ahora se están diseñando con gas de purga interna para evitar que polvo y desperdicios lle-guen a la óptica. Algunas configuraciones tienen cubiertas entre la cabeza de corte y la fibra de alimentación, lo que brinda una capa más de protección contra la contaminación.

Las configuraciones varían, dependiendo de los requerimientos de costo y la máquina láser específica que tenga un taller. Sin importar qué sistema tenga la máquina, las fuentes recomendaron que si se necesita quitar la cabeza de corte, hay que asegurarse de que la tapa final de la fibra de alimentación esté segura. La tapa final debe almacenarse en un lugar limpio, no sobre un banco de trabajo o en algún otro lugar donde podría estar expuesta al polvo del taller. De lo contrario, partículas pequeñas de la tapa final pueden caer en la propia fibra de alimentación. Además, siempre que sea posible, debe desconectarse la cabeza en posición horizontal. Esto evita que el polvo flote y caiga en la cabeza del láser.

Una pequeña concesión por rendimiento

Todos hacen hincapié en que es importante poner estas precauciones en pers-pectiva. La óptica para láseres de un micrón de alta potencia es sensible, pero la situación ciertamente es manejable. Es una concesión pequeña, considerando el potencial de salida del láser de 1 micrón y los requerimientos mínimos de mantenimiento general. El láser en sí es de estado sólido sin componentes móviles.

Como todo consumible para la manufactura, la óptica del láser se desgasta de manera natural con el tiempo, pero de acuerdo con las fuentes, la mayoría de los problemas con la óptica ocurren en dos áreas de la cabeza de procesamiento: arriba y abajo. Desperdicios en la cara de la lente inferior usualmente son una señal de que la óptica puede haber sufrido una exposición prolongada a un ambiente sucio durante un cambio de cubierta. Desperdicios en la lente superior en la cabeza de procesamiento son una señal de que podrían haber caído partículas flotantes en la cabeza después de desconectar la fibra.

En otras palabras, la mayoría de los problemas importantes no vienen del proceso del corte con láser en sí ni del desgaste natural, sino de un manejo incorrecto. Al final de cuentas, todo es cuestión de minimizar la exposición. Según explicaron las fuentes, ésta es la mejor práctica para cualquier láser, ya sea CO2 o la variedad de 1 micrón. Si el borde de corte está limpio, es probable que la óptica lo esté también. Si se hace en un ambiente sucio, abrir una cabeza de corte para inspeccionar lo que hay dentro puede hacer más daño que bien.

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The Fabricator

Tim Heston

Senior Editor

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Tim Heston, The Fabricator's senior editor, has covered the metal fabrication industry since 1998, starting his career at the American Welding Society's Welding Journal. Since then he has covered the full range of metal fabrication processes, from stamping, bending, and cutting to grinding and polishing. He joined The Fabricator's staff in October 2007.