Mitos del láser: lo que usted desconoce puede dañar su proceso

Los láseres con frecuencia se usan para aplicaciones de unión en la manufactura automotriz. Monitorear el sistema láser ayuda a asegurar procesos de unión consistentes y de alta calidad.

La aplicación de láseres de alta potencia se está volviendo algo más común en ambientes industriales, como por ejemplo en sinterización en la manufactura aditiva, unión de componentes de carrocería en la industria automotriz, y taladrado y corte de componentes aeroespaciales. A medida que se descubren y desarrollan más aplicaciones de estos láseres, más fabricantes se están dando cuenta de lo confiables y repetibles que pueden ser los sistemas láser industriales.

Como cualquier otra máquina herramienta, las tecnologías relacionadas con el sistema láser han avanzado significativamente durante varias décadas. Sin embargo, todavía existen muchos mitos en torno al empleo, la operación y el mantenimiento de un láser industrial. Separar lo real de la ficción es crítico para asegurar un proceso láser de alta calidad.

Mito #1: los procesos láser de la actualidad son tan estables que no requieren mucho monitoreo.

El uso de un láser como una herramienta industrial puede remontarse casi hasta el surgimiento del láser en sí. El láser de CO2 solía ser el caballo de batalla de la manufactura láser con su potencia bruta, costos de operación relativamente asequibles y facilidad de mantenimiento. Cientos de miles siguen en uso actualmente.

La década de 1980 vio la introducción del láser de fibra como herramienta industrial, y esto cambió el panorama de la manufactura láser industrial. El láser de fibra trajo varios beneficios, como por ejemplo mayor rendimiento de potencia, mejor calidad del rayo y menos mantenimiento, en comparación con los bien establecidos láseres de CO2. Sin embargo, las primeras generaciones de láseres de fibra eran caras, no producían la potencia necesaria para aplicaciones láser industriales y era difícil darles mantenimiento. Los fabricantes de láseres de fibra han superado la mayoría de los obstáculos y actualmente están brindando fuentes y sistemas más prácticos.

Con la alta calidad y confiabilidad de los sistemas láser de la actualidad, el usuario podría verse tentado a pasar por alto el hecho de que el sistema sigue estando formado por partes físicas con propiedades físicas. Los sistemas láser comprenden componentes mecánicos y eléctricos que se degradan o fallan después de un uso periódico. Cuando estos láseres se usan en ambientes industriales agresivos llenos de restos de procesos, se multiplica la degradación y la falla de los componentes, lo que da como resultado una menor eficiencia y mayores costos de operación.

Los diseñadores de sistemas se han puesto creativos en su manejo de los restos de procesos. Sin embargo, si no mide el desempeño del sistema láser, el usuario no puede entender todos los efectos de estas degradaciones de los componentes del sistema, ni cómo ni cuándo emprender acciones para maximizar la eficiencia del sistema.

Los sistemas láser requieren inversiones financieras significativas para producir partes de la manera más rápida y eficiente posible. Es necesario el mantenimiento periódico del sistema, pero el deseo obvio de maximizar el retorno de la inversión significa minimizar el tiempo que tarda el mantenimiento del sistema. Un sistema de medición del desempeño del láser puede brindar una indicación rápida de cómo está funcionando el láser, y ayudar en el desarrollo de una rutina más integral de mantenimiento del láser.

Mito #2: si el láser no está funcionando como se necesita, simplemente aumente la potencia.

En aplicaciones de láser de CO2, cuando un láser empieza a desviarse de su proceso optimizado, un usuario de láser podría sentirse tentado a aumentar la potencia para seguir procesando partes sin atender la causa de pérdida de eficiencia del láser. Lo que podría estar ocurriendo es un mayor efecto térmico en el sistema láser, causado por un dispositivo óptico viejo, dañado o contaminado, usualmente cerca del proceso. El efecto térmico causa que el punto enfocado se desplace hacia arriba, lo que da como resultado una mayor densidad de potencia.

La instrumentación de perfilado del rayo les permite a los usuarios finales ajustar sus procesos láser para lograr una irradiancia precisa que sea suficiente para la tarea, pero no demasiado intensa para que una soldadura, por ejemplo, se sobrecaliente y dé resultados menos óptimos. Las herramientas de medición del láser de la actualidad ayudan a los usuarios a entender el desempeño de su luz láser y a optimizar la operación y el mantenimiento de sus sistemas.

Asimismo, los fabricantes deben saber la principal diferencia entre los láseres de CO2 y los láseres de fibra. Los láseres de CO2 operan a una longitud de onda muy flexible de 10.6 µm. La óptica para estos láseres es robusta, menos susceptible a dañarse por los restos de proceso circundantes, y más fácil de mantener. Los láseres de fibra, de disco y de diodo de la actualidad operan casi a una longitud de onda de 1 µm. La óptica usada en estos láseres es más susceptible a dañarse por los restos producidos en sus ambientes industriales agresivos, y deben manejarse con sumo cuidado al cambiarse. Algunos operadores de láser usan la práctica heredada de cambiar la óptica del láser de CO2, pero estas prácticas eventualmente pueden dañar las cabezas de procesamiento de sus láseres con longitud de onda de 1 µm.

Los sistemas de manufactura aditiva basados en láser requieren potencias de salida y tamaños de punto enfocado precisos en el proceso para producir partes de calidad de manera consistente.

Mito #3: tomar mediciones en un sistema láser es demasiado caro y tardado.

Este mito de que el retorno de la inversión con un sistema de medición de láser es lento se basa en la idea equivocada de que estos sistemas son caros y difíciles de configurar y usar. Además, muchos fabricantes piensan que, aun cuando sea atractivo tener equipo de medición de láser, éste podría no brindar información útil o relevante para la aplicación.

Históricamente, el costo de comprar sistemas de medición de láser era alto. Cuando los productos electrónicos de medición de láser empezaron a entrar en escena en la década de 1970, se usaban principalmente en laboratorios científicos y ambientes altamente controlados. La información que brindaban era muy útil, pero el costo de operarlos permitía tener estas herramientas sólo a organizaciones bien financiadas.

Actualmente, con los avances en la tecnología de cámaras, los componentes ópticos, el trabajo en red y las tecnologías de comunicación, así como la potencia de cómputo y el software, los productos de medición de láser son más pequeños, más rápidos y más baratos. Los medidores de potencia láser y los productos de perfilado del rayo han evolucionado a herramientas de mantenimiento asequibles que pueden integrarse directamente en las celdas de trabajo láser. Por ejemplo, cada vez es más común para los fabricantes automotrices integrar un dispositivo combinado de medición de potencia y perfilado de rayo en sus celdas de trabajo para monitorear el desempeño del láser en cuanto a análisis de tendencias, rastreabilidad del proceso y predicción más inteligente del mantenimiento.

Además de las mejoras en el costo, varios avances permiten una operación más fácil de estos productos. Los sistemas de medición de láser de la actualidad toman en consideración las necesidades de los integradores de sistemas, de los operadores y del personal de mantenimiento. Por ejemplo, emplean protocolos estándar industriales de comunicación y están diseñados con conexiones de hardware industriales robustas. Además incluyen mejoras de seguridad para protección contra daño causado por restos de proceso y sobrecalentamiento. Los medidores de potencia láser y los productos de perfilado del rayo se usan ampliamente en ámbitos científicos y de investigación, y con frecuencia están diseñados para esos ambientes. Estos productos también se están aplicando en ámbitos industriales debido a la información relevante que brindan sobre el desempeño del láser. Debido a esto, sus diseños han sido adaptados a ambientes de producción más agresivos.

Mito #4: los procesos láser pueden manejarse bien con o sin medición de láser.

No es raro escuchar al personal de láser en la industria decir “este proceso láser es muy robusto, es raro que algo le falle”, o “este láser está soldando chapa metálica, entonces ¿por qué me preocuparía por su desempeño?” En algunos casos, se desarrolla y se implementa una aplicación láser, y simplemente se asume que el desempeño se mantiene consistente hasta que algo falla. Ésa no es la mejor manera de manejar un proceso. Además, es especialmente preocupante escuchar estas aseveraciones hechas por personas en aplicaciones de alta precisión, como por ejemplo en la manufactura automotriz, que pone tanto énfasis en la seguridad y en la calidad.

Sin embargo, la realidad del mundo de la manufactura es que el esfuerzo por la seguridad y por la calidad es contrarrestado con el constante empecinamiento de reducir los costos de operación; pero esto puede ser difícil a veces, especialmente para las aplicaciones láser, como por ejemplo la soldadura de materiales altamente reflectantes, en las cuales no siempre es fácil lograr un proceso láser consistente. Para asegurar que el láser esté funcionando de manera consistente con el tiempo, deben tomarse mediciones clave de desempeño, analizarse y actuar en consecuencia. Cuando estos parámetros láser son desconocidos, el proceso puede desvirtuarse y básicamente dar como resultado partes desechadas. Por ejemplo, si el punto enfocado en una aplicación de soldadura de cobre se desplaza de su posición de diseño, puede ocurrir pérdida de penetración de la soldadura por el tamaño del rayo que aumenta en el punto de proceso. Si se monitorea el desplazamiento del foco en el sistema láser, esta desviación puede evitarse.

También la sustentabilidad es una consideración importante. Las compañías manufactureras están buscando maneras de consumir recursos de manera más inteligente para reducir el impacto en el planeta. Cualquiera que haya estado involucrado en estas iniciativas sabe que toda pequeña mejora a un proceso es útil.

Medir, monitorear y analizar el desempeño del láser, y emprender acciones para mantener un desempeño consistente del láser pueden apoyar la sustentabilidad. Un sistema láser mantenido apropiadamente consume menos potencia y maximiza la producción, lo cual no sólo es bueno para reducir los costos de operación, sino que además es bueno para el planeta.

Mito #5: las tecnologías heredadas de medición láser están probadas con el tiempo y nos dan suficiente información sobre nuestro láser.

La filosofía de “no repares lo que no está descompuesto” sigue vigente en la manufactura. Por ejemplo, hay personal de servicio láser que sigue usando herramientas muy sencillas para dar mantenimiento y solucionar problemas del láser. Medidores de potencia láser tipo disco, bloques de modo de acrílico y placas fluorescentes recubiertas con fósforo son rápidos y fáciles de usar, pero estos productos heredados dan una idea incompleta de cómo está funcionando el láser en un momento dado.

Con estos métodos primitivos, un láser es dirigido hacia un dispositivo térmico por varios segundos, lo cual produce un solo número que corresponde a la potencia de salida. El rayo láser es captado en un bloque de acrílico o placa fluorescente y es analizado subjetivamente sin datos de tendencia ni estándares industriales de medición. Los productos electrónicos de medición del láser de la actualidad brindan mediciones basadas en el tiempo, las cuales permiten análisis de tendencias a corto y largo plazo del desempeño del láser. Éstos son calibrados contra estándares rastreables NIST y usan métodos de medición de rayo que cumplen con ISO. Esto brinda al usuario un análisis más integral de las características del láser y le da confianza en la exactitud de las mediciones.

En esta era de la Industria 4.0, la demanda de realimentación de las máquinas herramienta está resultando muy valiosa para mejorar el procesamiento industrial. El láser, visto como una máquina herramienta, no es la excepción. Los productos ahora pueden brindar información sobre las características de desempeño del láser con un par de enfoques diferentes. La medición durante el proceso o “in situ” puede brindar realimentación en tiempo real sobre cómo está operando el láser, pero con frecuencia sólo analiza parte del sistema láser, lo cual limita la información que puede proporcionarse. Por otro lado, los productos de medición en el proceso brindan un análisis más completo de cómo está funcionando el láser en el punto de procesamiento. Sin embargo, estos productos deben usarse entre corridas de producción de partes, por lo que la información resultante no es en tiempo real. De cualquier manera, tener información sobre el desempeño del láser siempre es mejor que no tener análisis alguno al considerar la mejora del proceso.

El trabajo del operador del láser es bastante difícil sin acceso a datos de desempeño del láser. Medir, monitorear y analizar tendencias de desempeño a largo plazo puede ayudarlos a operar y mantener mejor sus sistemas láser, y a solucionar problemas rápidamente cuando surjan.