La evolución del procesamiento láser 3D

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

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

Algunos veteranos de la industria tal vez incluso recuerden la primera máquina “combinada” que hizo su debut en el Salón Internacional de Tecnología de Fabricación, entonces conocido como Salón 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, hasta el punto de que la tecnología de corte por láser es la forma dominante de producir espacios en blanco 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 láser se remontan a unos años después de que hiciera su debut la primera máquina combinada de láser de CO2 y punzonadora de torreta. Algunos ingenieros de Minnesota desarrollaron una máquina en la que se podía utilizar un rayo láser de CO2 enfocado que podía moverse en tres ejes para cortar y soldar. Este no era un caso en el que el láser estaba estacionario y la mesa, con la hoja de metal unida a ella, se movía debajo del láser. En este caso, la pieza de trabajo estaba estacionaria y se le entregó la viga.

Estas máquinas láser 3D encontraron sus primeros seguidores. Harley-Davidson los utilizó para recortar piezas embutidas. Luego se desarrolló una máquina de procesamiento láser con capacidad de moverse a lo largo de los ejes C y D para Xerox, que buscaba un dispositivo para taladrar y cortar marcos soldados de computadoras.

“En aquel entonces se consideraba 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”.

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

Sin embargo, eso empezó a cambiar con el desarrollo de la tecnología del 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 su interior y se entrega mediante cables de fibra óptica.

La tecnología del láser de fibra tiene muchas ventajas 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 mayores velocidades de corte y la capacidad de cortar materiales reflectantes como cobre, latón y aluminio mucho mejor y de forma segura. El haz 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 se puede llevar al estado fundido 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.

Ese es todo el resumen, y no es de extrañar que el láser de fibra sea ahora la tecnología predominante a la hora de cortar, tanto en el mundo 2D como en el 3D.

“Antes, encendías una máquina de corte por láser y esperabas unos 15 minutos hasta que se calentaba”, dijo Barry. “Entonces podrías empezar a procesar.

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

“Acércate hoy a un láser de fibra y podrás encenderlo y comenzar a procesar de inmediato. Tendrá las mismas características y calidad del haz que tenía cuando apagó la máquina el día anterior”.

Lo que pasaba con la tecnología del láser de fibra a mediados de la década de 1990 era que era tecnología de onda continua. En ese momento, no encajaba con lo que se perfilaba como una de las principales aplicaciones del procesamiento láser 3D: la perforación.

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

Pero estas actividades de perforación láser no estaban respaldadas por tecnología láser de CO2. Barry dijo que la potencia máxima, la calidad del haz y la forma del haz generado por un láser de CO2 no se pueden controlar lo suficiente como para atravesarlos y crear agujeros de calidad. "Deja muchas salpicaduras y no es un proceso elocuente", dijo.

El láser Nd:YAG cambió todo eso. Los átomos de un granate de itrio y aluminio dopado con neodimio se excitan mediante una lámpara de destellos para generar este tipo de láser. Tiene una longitud de onda de 1,06 micrones y fue capaz de generar ráfagas de potencia máxima necesarias para el proceso de perforación láser. "Eso cambió fundamentalmente el juego", dijo Barry.

En el escenario más simple de perforación láser, se utiliza un único pulso láser a máxima potencia para fundir y vaporizar el metal, dejando un agujero bien definido. Esto se puede hacer repetidamente, creando agujeros de tamaños consistentes sobre un objeto 3D. En otros casos de perforación con láser, se crea un agujero 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 agujeros más grandes, se realiza una trepanación, como en un centro de fresado. El orificio piloto se crea con toques láser consecutivos 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. Añadió que a las empresas aeroespaciales les gustó mucho porque el láser podía perforar no sólo a 90 grados de la superficie, sino también hasta 20 grados. Esto hizo que la producción de componentes utilizados para enfriar los motores a reacción fuera mucho más eficiente. (Los motores a reacción comerciales pueden alcanzar temperaturas de más de 3000 grados F cuando están en funcionamiento. Los sistemas de refrigeración son fundamentales 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 electroerosión, que utiliza energía térmica para eliminar el metal, pero es extremadamente 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. El Nd:YAG fue mejor que el CO2 cuando se trataba de generar pulsos de potencia máxima, pero no pulsaba muy rápido. El CO2, por supuesto, seguía siendo la opción principal para el corte porque podía usarse en modo de onda continua. Quizás la tecnología láser de fibra podría mejorar ese rendimiento.

Las máquinas de procesamiento láser actuales pueden permitir la perforación de agujeros en ángulos muy poco profundos con respecto a la superficie.

El equipo de Laserdyne contactó a IPG, uno de los primeros proveedores comerciales de fuentes de energía para láser de fibra en Norteamérica, quien a su vez prestó a los “expertos en láser”, como Barry los describió a él y a sus colegas, una fuente de fibra de onda continua de 20 kW. láser.

“Así es como empezamos”, recuerda Barry. "Lo aceptamos durante un año y, con la potencia del láser de fibra de 20 kW, pudimos realizar casi toda la perforación que podíamos hacer con el láser Nd:YAG".

Sin embargo, hubo 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 fabricantes de metales, tenía que ser más asequible.

El equipo de Laserdyne volvió con el presidente, el científico fundador y el directivo más alto del IPG y le explicó su dilema. Anotando sus 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.

Cuasi 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 es capaz de emitir 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 bomba 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 agujeros con una potencia máxima y 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 boquilla de un cohete puede tener aproximadamente 8 pies de diámetro y 6 pies de altura. Para abordar algo tan grande se necesita una máquina de procesamiento láser 3D con ocho ejes de movimiento (cinco ejes de movimiento del haz, dos ejes de movimiento de la mesa giratoria y un eje de movimiento de la mesa lanzadera).

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

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.

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

La densidad de potencia del rayo láser crea un baño de soldadura 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 (HAZ) limitada alrededor de la junta. (Fue una de las razones por las que se utilizó 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 limitada 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 plegadora para ofrecer dobleces consistentes y de alta tolerancia de una pieza a otra. El alambre de relleno se puede utilizar con soldadura láser para compensar un ajuste deficiente e inconsistente.

De hecho, la llegada del láser de fibra ha ayudado a mejorar la soldadura láser. Cuando la soldadura láser se realizó con un láser de CO2, el proceso generó plasma, lo que ayudó a reducir la penetración de la soldadura. Se utilizaron varios tipos de gases protectores 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 protectores puede ayudar a minimizar esto).

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 los caudales de los gases de cobertura y los gases de asistencia 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. El cambio completo, necesario al pasar del corte por láser a la soldadura, se realiza en menos de dos minutos. (La perforación y el corte por láser suelen utilizar el mismo tipo de boquilla).

El procesamiento láser ha avanzado mucho 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 en lo que respecta al uso de estos láseres.

“Hace treinta años, cuando la gente venía a nosotros y nos decía: '¿Puedes hacer esto con un láser?' muchas veces no lo sabíamos. Tuvimos que pedir algunas muestras y las investigamos para descubrir si podíamos cumplir con lo que realmente querían lograr. Sería un descubrimiento para ambos”, dijo Barry.

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

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

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