Fibra Óptica, la Novedad del Corte Láser PROCESOS. La nueva opción para mecanizar chapa hasta 6 mm de espesor.

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1 24 PROCESOS Fibra Óptica, la Novedad del Corte Láser Andrés Gaitán García Periodista Metal Actual La nueva opción para mecanizar chapa hasta 6 mm de espesor El uso de este conductor aumenta la velocidad de transmisión del rayo hasta 5 veces, incrementando la producción y rentabilidad del empresario La tecnología para cortar y soldar materiales con rayo láser fue inventada hace 50 años, en ese entonces se decía que era una solución en espera de un problema, porque aun no se descubrían sus aplicaciones prácticas Hoy en día, el láser es parte integral de la vida del ser humano y se usa en la industria, la medicina, la informática, las comunicaciones, la tecnología militar, etc La primera aplicación práctica del láser (1969) fue el corte y soldadura de láminas metálicas para diversos usos, como la industria automovilística y la construcción Esta operación se denominó mecanizado de chapa y todavía es uno de los usos industriales más sobresalientes del láser Actualmente, la novedad en este campo es la transmisión del rayo a través de la fibra óptica

2 PROCESOS 25 Antes de entrar en materia es bueno anotar que existen diversas formas de generar un rayo láser A grosso modo se pueden clasificar en dos grupos: las que usan gas (como dióxido de carbono - -) para generar el haz de luz; y las que producen el mismo efecto en seco, a través de la excitación de cristales, o lámparas tipo led El láser de gas genera el haz de luz excitando el núcleo del mediante el voltaje alterno o continuo, el resultado es un fotón (o haz de luz) que es controlado con espejos que lo reflejan y lo conducen hasta una óptica que lo concentra y enfoca en un mismo punto para generar el rayo de corte Sin embargo, el es inestable después de la excitación del gas y se debe combinar con helio (H) para estabilizarlo, y nitrógeno (N 2 ) para reducir el aumento de temperatura que genera el proceso, el cual ronda los 260 o C La longitud de onda del láser por es de 10 micras (µm), dato muy importante debido a que constituye la diferencia fundamental con respecto al láser de fibra La longitud de onda del láser de es muy buena para trabajar láminas metálicas de todos los espesores, sobre todo cuando el láser se combina con oxígeno como gas de corte La razón es que se genera oxidación en la pieza, esto libera energía adicional (reacción exotérmica), lo que aumenta la velocidad de corte en chapa gruesa, explica Edwar González Sánchez, técnico especialista en láser Por su parte, las máquinas de corte láser de estado sólido generan el haz ~ 10µm de luz excitando cristales (itrio, neodimio, etc) o módulos de lámparas tipo led u otros elementos La primera diferencia es que en el proceso no intervienen gases; y la segunda que la longitud de onda del rayo es de 1 µm, nueve veces inferior a la generada por Al tener una longitud de onda tan pequeña, los materiales transparentes (en este caso la fibra de vidrio) son los indicados para transmitir el rayo sin que el material lo absorba y lo deforme Gracias a esta mejora las máquinas que usan el sistema de conducción se denominan, popularmente, láseres de fibra No por el método de generación del rayo, sino por la forma de transportarlo Velocidad, Precisión y Exactitud La tecnología para transmitir el rayo láser a través de fibra óptica data de mediados de los 90, pero en ese FKL ~ 1µm En este grafico se aprecia la diferencia entre la longitud de onda del láser de y el láser de fibra óptica Las máquinas de fibra óptica toman su nombre del sistema de conducción del rayo láser ::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: ::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: ::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: ::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: FKL: Estado Solido momento la calidad del medio de conducción (fibra óptica) era deficiente y deformaba el rayo Está limitación impedía que las máquinas realizaran buenos cortes y fueran rentables y competitivas frente a los aparatos de Sin embargo, en los 90 ciertas empresas comercializaron el láser de fibra para realizar trabajos muy específicos y que requieran gran precisión y finura, como corte y marcado de carcasas de celulares, también se usó en aplicaciones de soldaduras muy finas En los últimos cinco años la calidad de la fibra óptica mejoró y fue posible transmitir el rayo sin deformarlo, inmediatamente las máquinas con este sistema se transformaron en aparatos prácticos, rentables y funcionales para mecanizar (cortar y soldar en 2D y 3D) encontrando una alta productividad en láminas de hasta 6mm de espesor, especialmente Sin embargo, el rango de trabajo para un láser de fibra óptica de 3000W puede llegar a 20mm acero al carbón, 15mm inoxidable y 12mm aluminio Edwar González, técnico especialista en láser, explica que el corte con el láser de fibra óptica es hasta cinco veces más rápido que el corte con el láser de (la comparación se hace con un láser de de 3,2Kw) Esa velocidad se logra en láminas del espesor nombrado cumpliendo ciertos requisitos; el primero de ellos es en el

3 26 PROCESOS cual el proceso se realiza con N 2 como gas de corte, aclara el especialista ya que el proceso con O 2, en términos de velocidad, es prácticamente igual entre los dos tipos de láser En la máquina de fibra, la longitud de onda de 1 µm concentra el rayo y le otorga un mejor ángulo de incidencia con respecto a los materiales, por lo que estos absorben mejor el láser y se vaporizan más rápido El láser de fibra óptica es ideal para ejecutar trabajos precisos, rápidos y limpios en láminas de hasta 6 mm de espesor, de ahí en adelante, en términos de velocidad, es mejor utilizar el láser de, anota el técnico Esta limitante se debe a que el ángulo de incidencia que genera la longitud de 1 µm no es tan efectiva al mecanizar chapa gruesa, por eso los especialistas recomiendan usar la máquina de corte láser por fibra óptica como un complemento al aparato de, y de esta manera el industrial puede abarcar todos los espesores de chapa La Importancia del Nitrógeno Todos los láseres comparten un principio básico: generar un haz de luz, transmitirlo y concentrarlo de manera eficiente para vaporizar un material, pero qué sucede cuando el rayo A[%] ,2 1 3 Nd: YAG 1,06 2 choca contra el material?, Cómo es expulsado el producto sobrante? Antes de cortar, la máquina realiza una pequeña perforación puntiforme en el material, la cual se puede hacer con rapidez al usar toda la potencia del generador láser, o lentamente mediante el funcionamiento de rampa, proceso que aumenta progresivamente la potencia del láser, la mantiene hasta que se ha perforado el agujero de inicio y posteriormente la reduce lentamente Enseguida, el láser calienta el material, lo funde y, en parte, lo evapora El material residual se expulsa de la ranura de corte mediante una corriente de gas que sale de la tobera que está junto a la boquilla de la máquina Tanto al perforar como al cortar, la velocidad y el acabado de la pieza dependen, en gran parte, La máquina de fibra concentra el rayo y le otorga un mejor ángulo de incidencia con respecto a los materiales, así estos absorben mejor el láser y se vaporizan más rápido Absorción del láser 10,6 0,3 0,5 1, λ [mm] Absorción del laser 1 Vidrio 2 Acero, Niquiel, Tungsteno 3 Otros materiales (cobre, aluminio, plata, oro) El ángulo de incidencia del láser depende del espesor de la chapa Hay ángulos pequeños (α 1 ) cuando corta lámina delgada Hay ángulos grandes (α 2 ) cuando corta lámina gruesa El vidrio no absorbe casi el láser de 1µm Desventaja Se requieren medida especiales de seguridad sobre el láser Ventajas Guía del rayo es posible mediante fibra de vidrio Dirección de corte Dirección de corte Por el ángulo de incidencia, los expertos recomiendan usar la maquina de corte láser con fibra óptica como un complemento del aparato con del tipo de gas que se use para el corte Para la máquina de corte láser por fibra óptica, los especialistas recomienda usar N 2 como gas de corte, porque es un elemento inerte, de alta pureza y volumen, que no causa oxidación y no genera rebabas en la pieza Gracias a la alta presión el N 2 es despedido a muy alta velocidad por la tobera, hecho que expulsa con prontitud el material fundido Por lo general para el corte láser se usa N 2, argón (Ar) u oxígeno (O 2 ) La presión del gas de corte oscila entre 8 y 20 bares (bar) La pureza del N 2 es del 99,999 por ciento en volumen (50) En el Ar es de 99,996 por ciento en volumen (46), afirma Edwar González, técnico especialista en láser quien añade que el N 2 y el Ar son gases inertes y, por las características anteriormente enunciadas, son ideales para trabajar como gas de corte en la máquina de fibra óptica Sin embargo, el N 2 es más puro, tiene mayor volumen y es más económico; por lo que suele ser elegido por los industriales Versatilidad y Economía El láser de fibra óptica también permite cortar cobre y latón; metales que no se pueden mecanizar con un láser de, debido a que no absorben la longitud de onda de 10 µm, y cuando se les aplica el láser de Co2 generan una burbuja que puede causar una reflexión y dañar la óptica del aparato

4 100% 90% (10,6 µm) 80% 70% Fiber (1,06 µm) 60% Ventaja Fiber Ventaja 50% 40% 30% 20% 10% 0% 70 o 72 o 74 o 76 o 78 o 80 o 82 o 84 o 86 o 88 o 90 o Ángulo de incidencia del láser El láser de fibra óptica es muy veloz mecanizando láminas delgadas; el de es ideal para láminas gruesas Asimismo, el láser de fibra es más económico en gasto de consumibles, porque no tiene un sistema de espejos (como si ocurre en la maquina de ) que requieran mantenimiento, y tampoco es necesario invertir dinero en los gases que intervienen en la generación del láser (, H y N 2 ) Además, el aparato de fibra óptica consume, en promedio, un tercio menos de energía que la máquina de El consumo eléctrico en una máquina de (5 Kilovatios) es de unos 72 Kw En un aparato de corte de estado sólido o fibra (3 Kw) es de 29 kilovatios, incluida la unidad de refrigeración En consecuencia, el consumo energético con fibra óptica es más eficiente; es decir con menos energía se fabrican más piezas Es importante aclarar que en términos de costo por pieza, la electricidad es inferior al 5 por ciento del valor neto de la pieza, cuenta el especialista No obstante, más allá de su economía, la máquina de láser por fibra óptica también requiere mantenimiento de rutina La mayoría de los fabricantes recomiendan hacerle una revisión cada 10 mil horas de trabajo Este Porcentaje de energia láser convertido en calor (absorción) Los especialistas recomiendan usar N 2 como gas de corte para maximizar las capacidades de la máquina de corte láser por fibra óptica

5 28 PROCESOS La máquina de fibra óptica permite producir más piezas en una hora de trabajo usando la misma cantidad de consumibles que en un aparato de corte por dinero se puede programar como un ahorro a partir de una pequeña parte del costo de producción por hora de uso del láser Aproximadamente entre el 50 y 60 por ciento del costo de fabricar una pieza corresponde al gas de corte; el resto se divide en la energía usada, el mantenimiento, consumibles de la máquina y la rentabilidad del industrial La gran ventaja de la máquina de fibra óptica es que permite aumentar la producción por hora entre 40 y 60 por ciento en contornos simples, utilizando casi la misma cantidad de gas de corte (N 2 ), así es posible producir más piezas con el mismo costo por hora, reduciendo drásticamente el valor por pieza, explica el técnico Edwar González Los expertos recomiendan también limpiar el lente de enfoque cada 1200 horas en ambas máquinas (fibra y ) porque esta pieza sufre degradación térmica al calentarse y enfriarse constantemente Sin embargo, gracias a un adelanto tecnológico reciente, el tiempo para realizar está intervención puede aumentar y la misma máquina alerta el momento de realizar la inspección, bien sea para limpieza o para cambio No obstante, el mantenimiento general de ambas máquinas depende en gran medida del cuidado y el abuso (lámina con excesos de aceite, sucias, etc) de los responsables de su operación Cortar y Soldar con la Misma Máquina La transmisión del láser por fibra óptica nos abre una amplia gama de aplicaciones; por ejemplo, la posibilidad de cortar y soldar con el mismo generador láser, manipulando el foco del rayo con una óptica externa Es importante señalar que el láser de fibra solda sin tener contacto mecánico con la pieza, algo muy impresionante visualmente Básicamente, la diferencia entre cortar y soldar es la forma del rayo definida como el Tem 00 para cortar y el Tem01 para soldar El Tem 00 significa que toda la potencia está enfocada en el diámetro del rayo, y por eso el material se vaporiza Por otro lado, el Tem 01 alude a un rayo con forma dividida que permite fundir el material y unirlo sin necesidad de material de aporte en algunas aplicaciones En materia de seguridad, la máquina de fibra está completamente cerrada para prevenir accidentes, ya que la longitud de onda de 1 µm podría causar un daño devastador si toca el ojo humano Por el contrario, la longitud de onda de 10 µm de la máquina de C0 2 no genera un daño devastador en el ojo humano, y por ellos los aparatos están cerrados sólo parcialmente La máquina de fibra óptica permite cortar y soldar sin tener que cambiar el cabezal, en ciertas aplicaciones

6 Esta es la longitud de onda del Team 00 Esta es la longitud de onda del Team 01 Por último, Edwar González Sánchez, técnico especialista en láser, aclara que la máquina de corte láser por fibra óptica no es el remplazo del a corto plazo; al contrario funciona como su complemento y es una opción excelente para el industrial que mecanice láminas de hasta 6 mm de espesor, porque brinda alta velocidad a bajo costo y maximiza las ganancias Seguramente la transmisión por fibra óptica será el futuro del corte láser, pero todo depende de los avances tecnogicos de los próximos cinco años Particularmente, en las mejoras al medio de transmisión y los resultados que tengan los científicos e ingenieros que día a día trabajan para mejorar el ángulo de incidencia del rayo, explica González Fuentes Edward González Sanchez Técnico especialista en láser egonzalez@ makserwebcom