Torneado láser: Una herramienta revolucionaria para piezas médicas complejas

Este video ilustra cómo funciona el torneado láser. Crédito: GFH GmbH

En la industria del mecanizado de precisión, los láseres no han jugado un papel prominente más allá del marcado y grabado de piezas, pero se han agregado a tornos tipo suizo para cortar material tubular principalmente para aplicaciones médicas. Los láseres han sido útiles para crear agujeros pequeños y generar ranuras, espirales, formas helicoidales, ventanas y otras geometrías complejas en material canulado en esas máquinas.

Ahora, nueva tecnología usa un láser para actuar como herramienta de corte para "tornear" piezas de barra sólida. Este proceso, desarrollado por la empresa alemana GFH GmbH, reemplaza la herramienta de torneado convencional con un láser sin contacto que evapora el material con pulsos láser ultracortos mientras usa menos energía que los métodos de torneado tradicionales. La máquina de torneado de precisión de alta velocidad GL.smart, disponible para clientes de EE. UU. a través de GFH en Alemania, es especialmente útil para micromecanizado, permitiendo alta precisión para piezas pequeñas y complejas que a menudo son delicadas y difíciles de mecanizar al implementar procesos de torneado convencionales.

"Gracias a la remoción de material sin contacto, la pieza permanece libre de fuerza y deformación durante todo el proceso de mecanizado", explica Florian Lendner, CEO de GFH. "Esto significa que no hay pérdida de precisión, incluso con componentes muy delgados y delicados."

La máquina también divide el haz de una fuente láser y lo entrega en dos cabezales separados, para que pueda tornear, fresar, taladrar y grabar dos piezas a la vez. Estructuralmente, imagine un centro de fresado vertical de doble husillo, doble palet con cada estación capaz de torneado y mecanizado de cinco ejes.

Procesamiento sin contacto

El corazón de la máquina es un láser de estado sólido bombeado por diodo que entrega pulsos en picosegundos o femtosegundos en la pieza. Esta técnica de "pulso a demanda" permite el ajuste de la entrada de calor en el material, haciendo que la pieza sea menos propensa a sobrecalentarse. Como resultado, no ocurre tensión ni deformación de la pieza. La compañía dice que este proceso es adecuado para componentes hechos de materiales tanto muy duros como frágiles.

Aunque el láser bombeado por diodo es el láser estándar en el GL.smart, dependiendo de las necesidades del cliente, GFH puede proporcionar diferentes tipos de fuentes láser que difieren en longitud de onda, potencia láser o ancho de pulso. Usando estos pulsos láser ultrafastos y ultracortos, se remueve la mayor cantidad de material posible mediante desbaste. Al terminar una pieza, la calidad final se logra con menor energía láser.

El haz láser puede dirigirse al centro de la pieza o tangencialmente, dependiendo de la operación. Por ejemplo, si el componente tiene un diámetro fijo para tornearse, el haz láser golpea el material tangencialmente. Sin embargo, si solo ciertas áreas se están mecanizando a lo largo de todo el diámetro, como agujeros, el haz láser golpea el punto medio del material.

El rango de profundidades de material que el láser puede tornear/remover en un pasaje depende del material y del proceso de torneado en sí. Con remoción tangencial, el rango de acabado a desbaste es de 1 micra a 200 micras, y con el haz láser dirigido al centro, el rango es de 0,1 micra a 10 micras (acabado a desbaste).

Después del mecanizado, las piezas terminadas se manipulan y recogen ya sea sacándolas manualmente del sistema de sujeción por el operador o cayendo en un contenedor debajo del área de mecanizado. Para remover material erosionado de la máquina, el GL.smart está equipado con un sistema de succión para recoger aerosoles y polvo.

Capacidades "Inteligentes"

Los talleres que suministran a las industrias médica y relojera se beneficiarán especialmente de las capacidades de micromecanizado del GL.smart, según GFH. Por ejemplo, la máquina puede producir microherramientas como pinzas, microcuchillas e implantes, así como pivotes que se instalan en relojería, dice la compañía.

Con la capacidad de mecanizar virtualmente cualquier material, la máquina de torneado láser realiza operaciones de torneado, taladrado, corte y grabado con alta velocidad y precisión, dice la compañía. La máquina también ofrece mecanizado combinado, así como procesamiento paralelo en dos estaciones de sujeción C-axis simultáneamente, lo que duplica la productividad.

Debido al movimiento de cinco ejes, todas las operaciones pueden realizarse en una sola configuración. Por lo tanto, la pieza puede ser grabada, cortada, taladrada o estructurada sin ningún re-sujeción.

Los husillos principales de pieza con cojinetes de aire cuentan con un accionamiento de par que puede usarse para indexar/posicionar piezas y girar hasta 3.500 rpm en 0,4 segundos. La concentricidad radial y axial en nanómetros permite producción con tolerancias de rectificado. La máquina también proporciona un sistema de pinza de tensión controlada por fuerza. La huella compacta del GL.smart de 2.212 mm (L) × 1.026 mm (W) × 2.320 mm (H) está contenida en una carcasa de vidrio negro que proporciona protección contra radiación láser.

La máquina está disponible con hasta 16 ejes simultáneos, controlados por su propio sistema desarrollado, GL.control. Cada estación de trabajo (el eje Z es el mismo para ambas estaciones; el eje Y es separado para cada estación) puede equiparse con un husillo principal (ejes X y A) y una unidad rotativa (ejes X, B y C). Los tres ejes restantes se colocan en la caja óptica para manipulación del haz.

El CNC controla la precisión del láser

Programado y controlado usando su software GL.control desarrollado por GFH, el control numérico computarizado (CNC) de la máquina consiste en una computadora que es la única responsable del software de control numérico y otra unidad responsable del software operativo. El CNC integra las funciones CAD/CAM así como todos sus subsistemas. El PLC programable rápido del GL.smart está diseñado para procesamiento láser y ofrece acceso en tiempo real para control del láser, de modo que el láser puede activarse con una precisión de 40 nanómetros en el rango completo de movimiento de ejes.

El proceso para crear un programa CAD/CAM de corte para una pieza incluye:

1. Cargar el archivo 3D al software de la máquina
2. Seleccionar todas las geometrías a generar
3. Generar el código G para mecanizado láser
4. Editar parámetros específicos del material
5. Cargar al PLC
6. Iniciar el trabajo de mecanizado

Al configurar la máquina de torneado láser para un nuevo tipo de pieza a mecanizar, puede ser simple o algo más complejo, dependiendo del tamaño del material en bruto, según Lendner. "Si el material en bruto es del mismo tamaño, solo toma un cambio de configuración de software para crear un nuevo diseño", dice. "Si es un nuevo tipo de tamaño de material en bruto, la configuración óptica y el sistema de sujeción también deben cambiarse." La máquina acepta material en bruto de hasta 12 mm de diámetro y longitud hasta 2 m.

Construyendo una máquina personalizada

GFH ofrece numerosos complementos y accesorios para el GL.smart que ayudan a los usuarios a construir una máquina personalizada para sus aplicaciones específicas. Las opciones incluyen accesorios para automatización, monitoreo y aseguramiento de calidad.

La máquina de torneado láser GL.smart proporciona remoción sin contacto. Esto significa que no hay pérdida de precisión incluso con componentes muy delgados y delicados.

Debido a la creciente popularidad y a menudo necesidad de automatización de talleres, está disponible la adición de un sistema de manejo de pieza de robot de seis ejes y alimentador de barra para el GL.smart. Implementar esta opción brinda oportunidades para mecanizado desatendido.

Otras opciones para la máquina de torneado láser incluyen una unidad giratoria basculante como contrahusillo y un diseño de torneado corto o largo, o ambos. La configuración de la pinza y guía de pieza definen si la máquina tiene un diseño de torneado corto o largo.

GFH ofrece el siguiente equipo como opciones para el GL.smart que son fácilmente programables a través de GL.control.

Haz láser de baja vibración: El GL.beam incluye la ruta completa del haz desde el láser hasta la óptica de proceso dentro de la máquina. El láser está montado y alineado en una base de granito de acuerdo con las especificaciones del fabricante para operación de baja vibración.

Sistema de sujeción de precisión: Para sujeción repetida de componentes, la máquina puede equiparse con GL.clamp, un sistema de sujeción de precisión de Erowa. A pedido, también están disponibles sistemas de sujeción de otros fabricantes o dispositivos de sujeción por vacío.

Modos de monitoreo y ajuste de haz: Los sistemas láser pueden extenderse con los modos operativos GL.om3 y GL.om4. El modo operativo 3 se usa para monitoreo de proceso, y el modo operativo 4 es para ajuste de haz.

Sistema de escáner: Para producción precisa de piezas o grabado profundo, la máquina puede equiparse con un sistema de escáner llamado GL.scan. Posiciona el haz láser en las piezas a través de dos espejos galvo.

Sistema de medición óptica: El sistema de medición óptica, GL.vision, facilita el posicionamiento del componente bajo el láser y también ofrece la posibilidad de medición óptica con la resolución de un microscopio.

Módulo de óptica fija: El módulo GL.optifix proporciona óptica fija para taladrado láser, corte de precisión y ablación. No hay componentes móviles en la óptica, reduciendo así el error de posicionamiento a la precisión del sistema de ejes.

Módulo de distancia: El módulo GL.distance está disponible para los requisitos de más alta precisión para microtaladrado y corte de precisión. Desviaciones y tolerancias de la superficie del componente pueden registrarse y corregirse antes del mecanizado.

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