Mecanizado por rayo láser:piezas, principio de funcionamiento, aplicaciones y limitaciones

En este artículo, aprenderá qué es el mecanizado por rayo láser ?, ¿Cómo funciona? explicó sus partes , principio de funcionamiento con diagrama . Y también las ventajas y desventajas de mecanizado por rayo láser.

Introducción

¿Qué es el mecanizado por rayo láser?

Mecanizado por rayo láser es un proceso de mecanizado no convencional, en el que se dirige un láser hacia la pieza de trabajo para el mecanizado. Este proceso utiliza energía térmica para eliminar metal de superficies metálicas o no metálicas.

El láser es la radiación electromagnética. Produce luz monocromática que tiene la forma de un haz casi colimado que puede enfocarse ópticamente en puntos muy pequeños de menos de 0,002 mm de diámetro.

El 'LÁSER ' palabra significa amplificación de luz por emisión estimulada de radiación.

Principio de funcionamiento del mecanizado por rayo láser

Consideremos que los átomos de un medio (por ejemplo, una barra de cristal de rubí) están en el estado fundamental. Cuando un cuanto de energía de una fuente de luz se hace caer sobre este medio, provoca la absorción de radiación por parte de los átomos del medio.

Esto da como resultado que un electrón de los átomos del medio salte al nivel de energía superior.

Se dice entonces que los átomos en el nivel superior de energía están en un estado excitado. El átomo en un estado excitado inmediatamente comienza a caer espontáneamente al estado metaestable (intermedio).

Desde el estado metaestable, el átomo emite un fotón al azar antes de caer al nivel de energía original. Esta radiación de fotones se conoce como emisión espontánea, que es extremadamente rápida.

Sin embargo, en presencia de la luz de la frecuencia apropiada, la emisión estimulada ocurrirá en el nivel de energía superior cuando los átomos comenzarán a emitir y la reacción en cadena ocurrirá haciendo que se emita más y toda la avalancha se desplome. Esto se llama acción láser.

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Partes del circuito láser

Las siguientes son las partes principales del mecanizado por rayo láser:

1. Un par de espejos
2. Una fuente de energía
3. Un amplificador óptico.

Este amplificador se llama el láser . A estas piezas básicas hay que añadir un sistema de control y un sistema de refrigeración. La parte más importante del aparato láser es el cristal láser . El cristal láser de uso común es un rubí artificial que consta de óxido de aluminio en el que se ha introducido un 0,05 % de cromo.

Las varillas de cristal suelen ser redondas y las superficies de los extremos se vuelven reflectantes mediante espejos. El material láser necesita una fuente de energía llamada bomba . Puede ser una lámpara de destellos llena de gas xenón, argón o criptón. La lámpara se coloca cerca del amplificador o varilla de cristal dentro de un cilindro altamente reflectante que dirige la luz de la lámpara de destellos hacia la varilla para que el material del láser pueda absorber la mayor cantidad de energía posible.

Los átomos de cromo en el rubí son así excitados a altos niveles de energía. El átomo excitado emite energía (fotones) después de volver a su estado normal. De esta manera, se obtiene energía muy alta en pulsos cortos. La varilla de rubí se vuelve menos efectiva a altas temperaturas, por lo que se enfría continuamente con agua, aire o nitrógeno líquido.

Funcionamiento del mecanizado por rayo láser

En funcionamiento, la pieza a cortar se coloca sobre la mesa de trabajo de aluminio (que es resistente al corte por rayo láser).

El cabezal del láser se desplaza sobre la pieza de trabajo y un operador inspecciona visualmente el corte mientras ajusta manualmente el panel de control.

El perfil real se obtiene de un mecanismo vinculado, hecho para copiar el dibujo maestro o el perfil real, colocado en un banco cercano.

El láser en pulsos cortos tiene una potencia de salida de casi 10 kw'cm de la sección transversal del haz.

Al enfocar un rayo láser en un punto de 1/100 de mm cuadrado de tamaño, el rayo se puede concentrar en un destello corto a una densidad de potencia de 100,000 kW/cm y una energía de varios julios que dura una fracción de segundo.

Para mecanizar pulsos cortos de, digamos, se requieren 100 julios de energía.

El láser puede, por lo tanto, proporcionar suficiente calor para fundir y vaporizar cualquiera de los materiales conocidos.

El mecanismo por el cual un rayo láser elimina material de la superficie que se está trabajando incluye una combinación de procesos de fusión y evaporación.

Sin embargo, con algunos materiales, el mecanismo es pura evaporación.

Tasa de mecanizado

El láser se puede utilizar tanto para cortar como para taladrar. La tasa de eliminación de material en LBM es comparativamente bajo y es del orden de 4000 mm/h.

El corte se encuentra a partir de la siguiente relación:

donde,

P =Potencia láser incidente en la superficie, W

E =Energía de vaporización del material, W/mm (mm²)

A =Área del rayo láser en el punto focal, (mm²)

t1 =Espesor del material, mm

k =características constantes del material y la eficiencia de conversión de energía láser al material, mm/min.

La energía aproximada, E necesaria para elevar un volumen de metal a su punto de vaporización está dada por:

donde,

Pg =Densidad del material, kg/m 3

Vg =Volumen a evaporar, m 3

Cp =Calor específico, cal/kg K

θm =Punto de fusión, K

θb =Punto de ebullición, K

θ0 =Temperatura ambiente, K

Lm =Calor latente de fusión, cal/kg

Lv =Calor latente de vaporización, cal/kg

np =Eficiencia del proceso

Precisión

¿Cuál es la precisión de este proceso de mecanizado?

• El láser se utiliza mejor tanto para cortar como para taladrar.
• Para lograr los mejores resultados posibles en la perforación, es imperativo que el material esté ubicado dentro de una tolerancia de +0,2 mm de un punto focal.
• La precisión en el corte de perfiles con control numérico o palpador fotoeléctrico es de aproximadamente +0,1 mm.

Aplicación de mecanizado por rayo láser

• Actualmente, el proceso de mecanizado por láser se considera adecuado solo en casos excepcionales, como el mecanizado de orificios muy pequeños y el corte de perfiles complejos en materiales delgados y duros como la cerámica.
• También se utiliza en corte parcial o grabado.
• Otras aplicaciones incluyen recorte de metal de acero, corte en blanco y recorte de resistencia.
• Aunque LBM no es un proceso de eliminación de material en masa, es posible utilizar este proceso en la producción de micromecanizado en masa.

Ventajas del mecanizado por rayo láser

Las principales ventajas del mecanizado por rayo láser incluyen las siguientes:

1. Hay contacto directo entre la herramienta y la pieza de trabajo.
2. Es posible el mecanizado de cualquier material, incluidos los no metálicos.
3. Es posible taladrar y cortar áreas de difícil acceso.
4. La zona afectada por el calor es pequeña debido al haz colimado.
5. Se pueden mecanizar orificios extremadamente pequeños.
6. No hay desgaste de herramientas.
7. Se pueden mecanizar materiales blandos como el caucho y los plásticos.

Desventajas del mecanizado por rayo láser

Una de las principales limitaciones del láser es que no puede usarse para cortar metales que tienen alta conductividad térmica o alta reflectividad, por ejemplo, Al, Cu y sus aleaciones. Además, el proceso tiene las siguientes desventajas:

1. Su eficiencia general es extremadamente baja (10 a 15%).
2. El proceso se limita a láminas finas.
3. Tiene una tasa de eliminación de material muy baja.
4. Los agujeros mecanizados no son redondos ni rectos.
5. El sistema láser es bastante ineficiente ya que la vida útil de la lámpara de pestañas es corta.
6. El costo es alto.

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Conclusión:

Mecanizado por rayo láser es una de las mejores combinaciones convencionales, cualquier material sólido que se pueda derretir sin descomposición se puede cortar con el rayo láser. Eso es todo, hemos discutido todo sobre este tema, pero aún así, si tiene alguna duda o pregunta, puede hacerla en los comentarios.

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