La evolución del procesamiento láser en 3D

Cuando se trata de procesamiento láser 3D, la industria aeroespacial se destaca como uno de los principales usuarios de la tecnología. En esta aplicación, un láser perfora orificios de refrigeración en un álabe de un motor de turbina. Imágenes: Prima Power Laserdyne

¿Cuál es el primer pensamiento que viene a la mente de un fabricante de metales cuando escucha la frase "máquina de procesamiento láser multiproceso" en una conversación? Lo más probable es que sea una máquina combinada de corte y punzonado por láser.

Algunos veteranos de la industria quizás incluso recuerden la primera máquina “combinada” que hizo su debut en la Exposición Internacional de Tecnología de Fabricación, entonces conocida como la Exposición Internacional de Máquinas Herramienta hace más de 40 años. Strippit colocó un láser de CO₂ en una punzonadora de torreta y resultó ser un éxito. Tanto es así que la tecnología de corte por láser es la forma dominante de elaborar piezas en bruto en la mayoría de los talleres.

Sin embargo, para algunos fabricantes de metales de alta precisión, un láser multiproceso adquiere otro significado. Para ellos, los orígenes de este tipo de máquina-herramienta de proceso por láser se remontan a unos pocos años después de que hiciera su debut la primera máquina combinada de punzonado con torreta/láser de CO₂. Algunos ingenieros en Minnesota desarrollaron una máquina en la que un rayo láser de CO₂ enfocado que podía moverse en tres ejes podía usarse para cortar y soldar. Este no era un caso en el que el láser estaba fijo y la mesa se movía debajo del láser con la hoja de metal unida a ella. En este caso, la pieza de trabajo estaba fija y el rayo se movía sobre ella.

Estas máquinas láser 3D tuvieron fans prematuros. Harley-Davidson los utilizó para recortar piezas de embutición profunda. Luego, se desarrolló una máquina de procesamiento láser con la capacidad de moverse a lo largo de los ejes C y D para Xerox, quien buscaba un dispositivo para taladrar y cortar marcos de computadora soldados.

“En ese entonces, se consideraba un mecanizado no convencional”, dijo Mark Barry, un empleado veterano de Prima Power Laserdyne, un fabricante de máquinas de procesamiento láser 3D. “La gente no sabía mucho sobre láseres. Había mucho escepticismo”.

El corte por láser cobra sentido

Ese escepticismo sobre los láseres ciertamente no existe ahora. Mucho de eso fue posible gracias a la tecnología láser de CO₂, que fue el caballo de batalla en muchas empresas de fabricación de metales a lo largo de los años.

Sin embargo, eso comenzó a cambiar con el desarrollo de la tecnología láser de fibra. En lugar de necesitar un gran resonador con espejos y gases para crear el láser, como es el caso de la tecnología de CO₂, se crea un láser de fibra en el interior y se emite mediante cables de fibra óptica.

La tecnología de láser de fibra tiene muchas cosas a su favor en comparación con el láser de CO₂. El láser de fibra tiene una longitud de onda más corta (1.06 micrones) que el láser de CO₂ (10.6 micrones), lo que significa que el láser de fibra demostró mayores características de absorción; eso se traduce en velocidades de corte más altas y la capacidad de cortar materiales reflectantes como cobre, latón y aluminio de una manera mejor y más segura. El rayo enfocado de un láser de fibra también demuestra una mayor densidad de potencia que un láser de CO₂ de potencia similar; una mayor densidad de potencia del rayo láser significa que el metal puede fundirse más rápidamente, lo que permite un corte más rápido. Un láser de fibra también es mucho más eficiente energéticamente y requiere menos mantenimiento que un láser de CO₂.

Básicamente ese es el currículum por lo que no es de extrañar que el láser de fibra sea ahora la tecnología predominante a la hora de cortar en ambos ámbitos 2D y 3D.

“En los viejos tiempos, encendías una máquina de corte por láser y esperabas unos 15 minutos a que se calentara”, dijo Barry. “Sólo entonces podías comenzar a procesar”.

El corte de metales fue uno de los primeros usos de la tecnología láser de CO₂ cuando hizo su debut en una feria comercial de la industria hace 40 años. Hoy en día, la tecnología láser de fibra se utiliza para el corte de metales en aplicaciones 2D y 3D.

“Hoy en día enciende un láser de fibra y puede comenzar a procesar inmediatamente. El rayo tendrá las mismas características y calidad que cuando apagó la máquina el día anterior”.

Lo que pasaba con la tecnología de láser de fibra a mediados de la década de 1990 era que era una tecnología de onda continua. En ese momento, no era adecuado para lo que estaba emergiendo como una de las principales aplicaciones para el procesamiento láser 3D: la perforación.

Perforación láser: el mejor amigo de la industria aeronáutica

Barry dijo que Laserdyne encontró una cartera de clientes creciente con su tecnología de procesamiento 3D cuando comenzó a trabajar con fabricantes de la industria aeroespacial. La capacidad de crear cientos de orificios en diferentes materiales en cuestión de minutos y en diferentes ángulos era algo que los centros de fresado y las máquinas EDM no podían replicar.

Pero estas actividades de perforación con láser no fueron respaldadas con tecnología láser de CO₂. Barry dijo que la potencia máxima, la calidad la forma del haz generados por un láser de CO₂ no se pueden controlar lo suficiente como para atravesar y crear orificios de calidad. “Deja muchas salpicaduras y no es un proceso elocuente”.

El láser Nd:YAG cambió todo eso. Los átomos en un granate de itrio y aluminio dopado con neodimio se excitan por una lámpara de destellos para generar este tipo de láser. Tiene una longitud de onda de 1.06 micras y pudo generar los picos de potencia necesarios para el proceso de perforación con láser. “Eso cambió el juego principalmente”, dijo Barry.

En el escenario más simple de la perforación con láser se usa un solo pulso láser a la máxima potencia para fundir y vaporizar el metal dejando un orificio bien definido. Esto se puede hacer repetidamente creando orificios de tamaños consistentes sobre un objeto 3D. En otros casos de perforación con láser, se crea un orificio utilizando múltiples pulsos láser de baja energía y corta duración. Este enfoque es más adecuado para aplicaciones donde se requieren orificios más precisos o de menor diámetro.

Para orificios más grandes se hace una trepanación como en un centro de fresado. El orificio piloto se crea con un movimiento alternado de láser y luego se aumenta el tamaño del orificio con el láser pulsando en un patrón circular. El material fundido cae a través del agujero cada vez mayor.

Barry dijo que este tipo de perforación puede producir agujeros de 0.005 a 0.035 pulgadas de diámetro de manera rápida. Agregó que a las compañías aeroespaciales les gustó mucho porque el láser podía perforar no solo a 90 grados de la superficie, sino también a 20 grados. Esto hizo que la producción de componentes utilizados para enfriar motores a reacción fuera mucho más eficiente. (Los motores a reacción comerciales pueden alcanzar temperaturas de más de 3,000 grados F cuando están en funcionamiento. Los sistemas de enfriamiento son integrales para mantener estos motores en funcionamiento).

Los láseres Nd:YAG demostraron ser una herramienta de perforación formidable. La única tecnología rival real era el mecanizado por descarga eléctrica, que utiliza energía térmica para eliminar el metal, pero es minuciosamente lento en comparación con el láser.

Luego apareció la tecnología de fibra a mediados de la década de 1990, y Barry dijo que sus colegas de Laserdyne se sintieron obligados a echar un vistazo a este nuevo tipo de láser. Nd:YAG era mejor que el CO₂ cuando se trataba de emitir pulsos de potencia máxima, pero no pulsaba muy rápido. El CO₂, por supuesto, seguía siendo la opción principal para cortar porque podía usarse en modo de onda continua. Tal vez la tecnología láser de fibra podría mejorar ese rendimiento.

Con un alimentador de alambre y una dispersión óptima de un gas de protección, se puede usar un láser para soldar varios materiales reactivos, como este componente aeroespacial de titanio abovedado.

El equipo de Laserdyne se puso en contacto con IPG, uno de los primeros proveedores comerciales de fuentes de energía de láser de fibra en América del Norte quien a su vez le prestó un láser de fibra de onda continua de 20 kW a los "geeks del láser", como Barry describió a sus colegas.

“Así es como empezamos”, recordó Barry. “Nos lo quedamos por un año y con la potencia del láser de fibra de 20 kW pudimos hacer casi todas las perforaciones que podíamos con el láser Nd:YAG”.

Sin embargo, había un problema. Un láser de fibra de onda continua de 20 kW no era una adición rentable a una máquina herramienta de procesamiento láser. Para que esta tecnología fuera adoptada por la comunidad de fabricación de metales tenía que ser más económica.

El equipo de Laserdyne volvió con el presidente de IPG, el científico fundador y el gerente más experimentado y explicaron su dilema. Anotando pensamientos en una servilleta de papel, los expertos en láser idearon lo que se convertiría en el láser de fibra de onda casi continua (QCW) de alta potencia.

Quasi es una buena opción para describir este tipo de láser, ya que conserva algunas de las características del láser de fibra de onda continua. La gran diferencia es que este tipo de láser tiene una longitud de onda favorable y puede generar pulsos de potencia máxima, lo que lo hace adecuado para la perforación con láser. Esto se logra mediante modificaciones en la fuente de alimentación y un mayor número de diodos de bombeo que se empalman en la fibra activa.

Este láser de fibra QCW le dio a Laserdyne la flexibilidad que necesitaba en una fuente de energía. Con 20 kW de potencia máxima y una potencia promedio de 2 kW a su disposición, una máquina de procesamiento láser 3D podría perforar orificios con una potencia de salida máxima y podría cortar materiales delgados y soldar agresivamente con una potencia promedio.

“Este fue un cambio importante para nuestra industria”, dijo Barry.

Hasta el día de hoy, Prima Power Laserdyne utiliza el láser QCW en sus máquinas de procesamiento láser 3D. La gran mayoría de ellos se utilizan en la fabricación de componentes para sistemas de refrigeración de motores de turbina, algunos de los cuales pueden llegar a ser muy grandes.

Por ejemplo, la tobera de un cohete puede tener unos 8 pies de diámetro y 6 pies de alto. Se necesita una máquina de procesamiento láser 3D con ocho ejes de movimiento (cinco ejes de movimiento de haz, dos ejes de movimiento de mesa giratoria y un eje de movimiento de mesa de cambio) para abordar algo tan grande.

“Los clientes saben que, con este tipo de capacidad, pueden ir a buscar trabajo”, dijo Barry.

¿Qué hay con la soldadura láser?

Las empresas todavía usan estos sistemas 3D para recortar piezas estampadas y para perforar piezas aeroespaciales con láser, pero las aplicaciones de soldadura están subrepresentadas cuando se analizan aplicaciones potenciales en todo el espectro de fabricación, dijo Barry. Llamó a la soldadura por láser “probablemente el último bastión de la producción manufacturera no estándar”.

Las máquinas de procesamiento láser de hoy en día pueden adaptarse a la perforación de orificios en ángulos muy poco profundos con respecto a la superficie.

La densidad de potencia del rayo láser crea un baño de soldadura en fusión estrecho y penetra profundamente en el material. Esto deja un cordón de soldadura limpio que a menudo no necesita ningún acabado posterior a la soldadura. El proceso también se presta para realizarse de forma rápida y precisa en una sola pasada.

Además, la soldadura láser crea una zona afectada por el calor limitada (HAZ) alrededor de la unión. (Fue una de las razones por las que se usó la tecnología para soldar conjuntos de bolsas de aire de vehículos, que en realidad contenían un detonador en el momento de desplegar la bolsa de aire). La HAZ reduce la distorsión y las tensiones residuales en el metal.

La soldadura láser se logra mejor con ajustes ajustados. Esto podría requerir el uso de tecnología moderna de prensas dobladoras para producir dobleces consistentes y de alta tolerancia de una pieza a otra. El alambre de relleno se puede usar con soldadura láser para compensar un ajuste deficiente e inconsistente.

La llegada del láser de fibra en realidad ha ayudado a mejorar la soldadura por láser. Cuando la soldadura láser se realizó con un láser de CO₂, el proceso creó plasma, lo que ayudó a reducir la penetración de la soldadura. Se utilizaron varios tipos de gases de protección para reducir la formación de plasma, pero los riesgos siempre estuvieron presentes. El láser de fibra no suele sufrir formación de plasma. (Al soldar secciones gruesas a velocidades de soldadura lentas, se puede formar una nube de gas sobre la soldadura y amenazar la calidad de la unión, pero el uso de gases de protección puede ayudar a minimizar esto).

Todo el paquete

Dominic Louwagie, gerente de producto de Prima Power Laserdyne, agregó que los controles avanzados han ayudado a que las máquinas de procesamiento láser 3D sean más fáciles de usar que las generaciones anteriores. El control coordina la potencia del láser y las tasas de flujo de los gases de cobertura y los gases auxiliares para la aplicación de procesamiento.

“Lo único que tiene que hacer el operador es cambiar físicamente la boquilla que está optimizada para el flujo y la presión del gas”, dijo Louwagie. Un cambio completo, que es necesario cuando se pasa del corte por láser a la soldadura, se lleva a cabo en menos de dos minutos. (La perforación por láser y el corte por láser suelen utilizar el mismo tipo de boquilla).

El procesamiento láser ha recorrido un largo camino en los últimos 30 años. Las máquinas herramienta están diseñadas para láseres, no simplemente pegadas a una punzonadora de torreta. Los láseres han evolucionado hasta el punto en que pueden ofrecer resultados de corte, perforación y soldadura que son difíciles de igualar para otras tecnologías en términos de calidad y productividad. La industria también se ha vuelto mucho más inteligente cuando se trata del uso de estos láseres.

“Hace treinta años cuando la gente nos contactaba y decía: ‘¿Puedes hacer esto con un láser?’, muchas veces no lo sabíamos. Tuvimos que pedir algunas muestras y las investigamos para averiguar si podíamos cumplir con lo que realmente querían lograr. Era un descubrimiento para los dos”, dijo Barry.

“Hoy sabemos lo que podemos hacer en términos de procesamiento de materiales. Ahora solo tenemos que decidir si es una aplicación práctica o no”.

El siguiente paso es para los fabricantes de metal. ¿Puede el procesamiento láser 3D ayudarlos a hacer un trabajo mejor que ahora sin la ayuda de los láseres?

Las máquinas de procesamiento láser 3D han avanzado para adaptarse a múltiples procesos y ofrecer sistemas de movimiento de haz que no existían cuando los primeros sistemas de CO₂ de 5 ejes llegaron al mercado por primera vez.