Lo que los láseres de fibra de alta potencia significan para un taller de fabricación

Los fabricantes no tiene que ser expertos en tecnología de corte con láser de fibra para saber que si pueden cortar placa de 0.25 pulgadas con un láser de 4 kW, pueden cortarla más rápido con una fuente de potencia láser de 8 kW. Ahora imagine lo que pueden hacer con una máquina de corte con láser de fibra de 12 kW. ¿Y qué tal con una de 15 kW?

Esas opciones están disponibles actualmente para los fabricantes de metales, pero sería un error enfocarse solamente en el corte de metal grueso con estos nuevos láseres de fibra de alta potencia. Estas máquinas de 10, 12 y hasta 15 kW pueden hacer mucho más que cortar materiales gruesos, aunque sea lo primero que le viene a la mente a un fabricante de metales cuando se habla de estas poderosas máquinas herramienta. La realidad es que una gran parte de las compañías fabricantes de metal en Norteamérica procesan metal de 0.25 pulgadas o más delgado. Sencillamente no hay muchos talleres que requieran corte láser de metales especiales muy gruesos para cosas como reactores nucleares; ese tipo de aplicaciones no abunda.

La historia de la tecnología de láser de fibra de alta potencia gira en torno a reducir el tiempo de proceso en el corte láser. Es por eso que vemos fabricantes de metal que compran una máquina de corte láser de alta potencia para reemplazar dos o hasta tres láseres antiguos; pueden obtener partes de la cama del láser más rápido y más barato que antes.

Una mirada más cercana a cómo llegamos hasta aquí

Fue hasta mediados de la década de los 2000 cuando las máquinas de corte de láser de CO2 de alta potencia fueron consideradas la herramienta necesaria para procesar la placa de manera rápida y eficiente para la creación de blindados para vehículos militares de Estados Unidos desarrollados en Afganistán e Iraq. Los dispositivos explosivos improvisados eran una gran amenaza, y los blindados protegían a personal militar de una manera en que no podían hacerlo los vehículos de transporte sin blindado.

Apenas unos cuantos años después debutó la tecnología de láser de fibra, y su ritmo de adopción se disparó por la mitad de esta década. Sin necesidad de preocuparse por limpieza de espejos o lentes, revisiones de fuelle, y alineaciones de rayo, los fabricantes descubrieron una nueva herramienta de corte que requería poco mantenimiento y que costaba alrededor de la mitad de lo que costaba operar un sistema de CO2.

El láser de fibra además produce una longitud de onda de rayo alrededor de 10 veces menor que la longitud de onda de rayo de 10 micrones asociada con un resonador de CO2. Este rayo enfocado produce una densidad de potencia más alta que acoplada con el ritmo de absorción más alto de la tecnología, se traduce en una velocidad de corte que excede en mucho la de un láser de CO2, particularmente en espesores de material menores a 0.25 pulgadas.

Con la tecnología de laser de fibra, los fabricantes pueden aumentar la potencia de estas máquinas herramienta agregando módulos de producción de láser. (En los módulos, la luz emitida por diodos semiconductores es excitada en óptica de fibra dopada con iterbio hasta que se produce el láser; todos los módulos se unen en una fibra activa, la cual se usa entonces para alimentar el rayo láser.) Es por eso que ocurrió tan rápido el reciente aumento en potencias: desde un punto de vista de tecnología pura, agregar potencia no es complejo. De hecho, los sistemas de soldadura de láser de fibra actualmente pueden superar los 100 kW en algunos casos.

La razón de que los fabricantes no tengan sistemas de 100 kW en sus plantas de producción es que los sistemas de alimentación del rayo no pueden manejar tanta potencia. Es por eso que se está haciendo tanta investigación en el diseño de cabezas de corte; los fabricantes de sistemas de corte láser buscan producir una cabeza de corte confiable que pueda alimentar al rayo láser de fibra por más tiempo en condiciones de corte rudas, un escenario muy probable al cortar materiales gruesos.

En años recientes, esos mismos fabricantes de máquinas herramienta desarrollaron óptica de cabeza de corte que puede modular el tamaño del rayo durante el corte. Con este desarrollo tecnológico, las máquinas de corte de láser de fibra están viendo ampliado su uso, dejando de ser estrictamente una herramienta para cortar chapa metálica delgada. Conforme el material se vuelve más grueso, se necesita un rayo más ancho para crear más ranura, de forma que el material fundido pueda removerse.

Entonces, ¿qué tanta potencia de láser de fibra necesita un fabricante? Una compañía debe ver la gama típica de espesores que compone el 80 por ciento de su trabajo. Si en realidad se trata de calibre delgado, es poco probable que se necesite un láser de 15 kW. (Incluso si un taller tuviera un láser de fibra de 15 kW, bajaría la potencia a 6 kW y cortaría ese material delgado a una velocidad muy rápida y a un bajo costo.)

He aquí algunas reglas generales para cortar metal común como por ejemplo acero, acero inoxidable o aluminio con nitrógeno:

Hasta calibre 9—6 a 8 kW

0.25 a 0.75 in.—8 a 10 kW

Arriba de 0.75 in.—8 a 15 kW

Tenga en mente que un fabricante con una máquina de alta potencia puede producir más partes por hora, y el costo por parte se reduce conforme la potencia aumenta. Sin embargo, esto ocurre sólo si la máquina de corte láser es suficientemente rápida para maximizar la potencia de la máquina.

¿Qué se entiende por rápido?

Los costos de operación probablemente aumentarán conforme aumente el nivel de potencia en una máquina de corte con láser de fibra. Generalmente, duplicar la potencia aumenta los costos de operación del láser entre 20 y 30 por ciento. Es por eso que es tan importante que el láser de fibra esté operando a eficiencias pico, para que el tiempo de ciclo de las partes pueda reducirse para compensar los costos de operación más altos. Al reducir el tiempo de ciclo, un fabricante puede reducir el impacto de los costos variables y fijos, y aumentar la rentabilidad.

Afortunadamente, los láseres de fibra cortan rápido. Sólo véalos subir y bajar una pieza de chapa metálica en una expo. Desafortunadamente, la mayoría de los fabricantes no están cortando partes que tengan líneas largas y rectas; están cortando agujeros pequeños y formas geométricas únicas. En esta realidad, un fabricante necesita una aceleración rápida para aprovechar las velocidades lineales de la máquina.

Por ejemplo, una máquina de 1G que acelera a 32.2 pies por segundo cuadrado (9.8 m/s2) es fácilmente superada por una máquina de 2G, que acelera al doble de la velocidad. Cuando los G se duplican, la máquina necesita la mitad del tiempo y la mitad de la distancia para alcanzar la misma velocidad programada.

El ritmo al que la máquina puede desacelerar hacia las esquinas y arcos cerrados y acelerar desde éstos, con frecuencia tiene un impacto mayor en el tiempo de ciclo que la potencia del láser o la velocidad máxima de la máquina. La aceleración es vital.

Para una ilustración más amplia, considere el corte láser de aluminio calibre 20 con un láser de 4 kW que puede cortar a una velocidad de alrededor de 2,250 pulgadas (57 m) por minuto. Si el fabricante está cortando una línea de 3 pulgadas con una máquina de 1G, ese láser de 4 kW nunca acelerará a la velocidad de corte potencial antes de que tenga que empezar a desacelerar. En tanto que una máquina de 6G estará a la velocidad de corte 2.4 pulgadas de la línea de 3 pulgadas.

Cuando se habla sobre la eficiencia de corte, también ayuda ver la velocidad de avance rápido y la aceleración. Esto involucra al movimiento de la cabeza de corte cuando el láser no está en uso, lo cual es alrededor del 15 al 25 por ciento del movimiento de la cabeza de corte sobre cada chapa o placa. Las máquinas que dan velocidades de avance rápido más altas, mayores a 12,000 IPM (pulgadas por minuto), requieren una alta aceleración para utilizar las altas velocidades de avance rápido.

Obteniendo el máximo del cambio de material

Por supuesto, el tiempo de procesamiento en una máquina de corte con láser de fibra está muy ligado a la capacidad del sistema de cargar chapas o placa y descargar partes cortadas y esqueletos. Un fabricante no va a ganar ninguna ventaja de tiempo de ciclo si tiene que esperar varios minutos para que ocurra el movimiento de material.

Muchos de los cambiadores de tarimas que se ofrecen en la actualidad se diseñaron para trabajar con láseres de CO2, los cuales cortan a ritmos mucho más bajos en comparación con los láseres de fibra. Es muy probable que usen hidráulica y que puedan tardarse de 35 a 50 segundos para cambiar una chapa.

Los cambiadores de tarimas más modernos se basan en tecnología servo-accionada y pueden cambiar una tarima en menos de 10 segundos. Si una operación de

fabricación típicamente cambia chapas de seis a 10 veces por hora, un cambiador moderno de tarimas puede agregar de una a dos horas de tiempo de corte por semana, que no estarían disponibles con tecnología más lenta de manejo de material.

Esta automatización de la carga y descarga es crítica. Un fabricante que puede cortar y quitar esa chapa o placa y reemplazarla en segundos está obteniendo una producción máxima de su máquina de corte con láser de fibra. Un fabricante que es capaz de cortar más rápido, pero sigue teniendo tiempo improductivo relacionado con el manejo lento de material, está presionando al láser sin razón alguna.

En cuanto a la selección de la tecnología de cambiador de tarimas, un fabricante debe seleccionar una que pueda manejar el material más grueso y más pesado que procesa. Una placa de 1 pulgada de 5 por 10 pies (1.5 a 3 m) pesa 2,100 libras (952 kg). Para la mayoría de los talleres, un cambiador de tarimas con una capacidad de 2,200 libras (1000 kg) debe ser suficiente. Cualquier cosa que exceda ese espesor requiere un sistema para uso rudo diseñado para manejar las cargas mucho más pesadas.

¿Láseres de alta potencia para todos?

No todos los fabricantes de metal necesitan un láser de alta potencia, particularmente si no tienen suficiente trabajo para cargar su máquina de corte láser actual. Por ejemplo, si no se espera que crezca la carga de trabajo de corte láser del taller y ésta consume sólo la mitad de un turno de trabajo, entonces pagar por un láser más potente para reducir la carga de trabajo a un cuarto de turno es muy probable que no dará un buen retorno de la inversión.

Sin embargo, si los fabricantes de metal están maximizando su capacidad de corte láser actual y están buscando la posibilidad de agregar otro turno, definitivamente deben considerar los láseres de alta potencia. Esto es aplicable en particular si están usando tecnología láser antigua.

Las máquinas de corte con láser de fibra de alta potencia de la actualidad pueden reemplazar a dos o tres láseres antiguos. En tiempos en que los fabricantes batallan por encontrar operadores confiables y experimentados, pueden invertir en un láser rápido y eficiente y reducir el número de operadores de láser requeridos, utilizándolos para otros trabajos importantes en el taller.

Las máquinas de corte con láser de fibra seguirán creciendo en potencia si la tecnología de cabeza de corte y de manejo de material puede complementar el aumento de potencia. Los fabricantes aprovecharán la potencia si son capaces de alimentar a estas voraces máquinas de corte. Material grueso o delgado, no importa. y