Mejorando la sostenibilidad en procesos de manufactura láser

Los láseres se usan en diversos procesos de manufactura, y en años recientes el espectro se ha vuelto cada vez más amplio. Ya sea VCSELs en tecnología de sensores, láseres azules y verdes para soldar celdas de batería, potentes láseres de fibra en manufactura aditiva, o láseres de cascada cuántica en tecnología médica, la tecnología láser está revolucionando numerosas industrias actualmente. Pero una cosa destaca — incluso en plantas de producción modernas, la oportunidad de hacer procesos basados en láser más sostenibles midiendo el sistema láser en sí mismo a menudo se descuida.

Hay muchas nuevas tecnologías e instrumentos que contribuyen a mayor calidad de producción en procesos basados en láser mientras simplifican documentación y conservan recursos. Hoy, es incluso posible caracterizar la cauchera completa del haz con mediciones totalmente automatizadas, neutras en tiempo de ciclo, durante la carga muy corta de una celda de robot o en una cámara de construcción sellada en manufactura aditiva.

Una Paradoja con Riesgos

Durante muchos años hubo una creencia persistente de que un haz láser, per se, es "libre de mantenimiento", ya que nunca "se desafila" como una herramienta. Incluso ahora, todavía hay empresas que invierten en instalaciones de producción de vanguardia pero miden el láser demasiado raramente y usando tecnología de medición obsoleta. La realidad es que los procesos láser cambian con el tiempo. La gente en la industria está empezando a darse cuenta de qué tan importante es verificar el haz láser enfocado. Además de las demandas crecientes en calidad de componentes y las presiones económicas que enfrentan muchas empresas, la sostenibilidad se está volviendo un factor decisivo crucial. Pero aquí, la tecnología láser y la conciencia ambiental deberían ir de la mano. Los objetivos son directos:

• Sin desperdicio;
• Consumo reducido de material;
• Menor consumo de energía;
• Minimización de retrabajo.

Al diseñar procesos, una cosa debe mantenerse en mente: un láser solo funciona tan bien como su entrega de haz. Y sus componentes integrados se desgastan y se ensucian con el tiempo. Esto a menudo causa que el diámetro de foco crezca en general o la posición de foco se desplace, lo que también resulta en un diámetro de haz mayor. En cualquier caso, esto reduce la densidad de potencia en el nivel de procesamiento. Si estos cambios pasan desapercibidos, surgirán costos adicionales — material desperdiciado en piezas defectuosas y/o tiempo y mano de obra desperdiciados en resolver el problema. Para compensar el cambio en el proceso sin realmente arreglar la fuente, los usuarios recurren a reducir la velocidad de procesamiento y/o aumentar la potencia del láser. Ambos conducen a mayor consumo de energía y gases de proceso. En otras palabras... ¡no algo que alguien quiera o pueda pagar hoy en día!

Calidad del Foco y Costo Unitario

Para aumentar la sostenibilidad del proceso láser, se puede empezar en un par de puntos de entrada diferentes. Primero, es primordial saber cómo se comporta el foco del haz en general y cómo cualquier cambio en potencia láser y posición de foco afectará el proceso. Estas investigaciones usualmente se conducen durante desarrollo.

Una vez que el proceso láser se pone en operación, sin embargo, una medición puede decir si el láser aún funciona en el ambiente de producción como lo hizo en desarrollo. A medida que la operación continúa, tareas de mantenimiento esenciales incluyen verificar lentes ópticas y ventanas protectoras — y reemplazarlas según sea necesario. Si ocurren errores y rechazos, se recomienda tener una estrategia de medición clara que defina cómo volver a poner el sistema láser en funcionamiento rápidamente.

El siguiente procedimiento usualmente produce buenos resultados:

1. Verificar el ajuste del haz en la boquilla de corte (si es relevante).
2. Reemplazar la ventana protectora.
3. Verificar el ajuste del camino del haz.
4. Verificar el haz de salida del láser para su potencia y perfil de haz.

Los parámetros centrales a medir son potencia láser, diámetro de foco, posición de foco (x, y, z), desplazamiento de foco, perfil de haz y divergencia, calidad de haz M2, así como BPP (producto de parámetros de haz). Sin embargo, para todas estas mediciones, la pregunta de qué tecnología de medición usar no debe decidirse solo basándose en potencia láser; es esencial también conocer la densidad de potencia láser.

La densidad de potencia láser se define como la potencia por unidad de área (vatio/cm²). Un cambio en el diámetro de foco — por ejemplo, debido a una lente enfriada incorrectamente o una ventana protectora sucia — ejerce una influencia directa en la densidad de potencia del haz láser y puede tener múltiples consecuencias:

• La velocidad de avance puede tener que reducirse.
• La calidad de la pieza mecanizada en el proceso de corte o soldadura puede sufrir.
• Los tiempos de producción y consumo de energía pueden aumentar, al igual que la necesidad de gases costosos usados en procesamiento.
• La zona afectada por calor (HAZ) será mayor, requiriendo más post-procesamiento como enderezado, desbarbado o pulido. Bajo ciertas circunstancias, una pérdida no detectada en calidad del producto puede llevar a fuerza disminuida — un defecto que, una vez reconocido, puede resultar en retiros costosos.

Estos efectos técnicos inevitablemente cobran un peaje significativo en costos y sostenibilidad. Cuanto mayor la desviación en la calidad del haz en el punto de procesamiento, más se gasta en energía y gases de proceso.

Medición de Potencia Eficiente

Incluso con estas correlaciones claras, los críticos a menudo afirman que medir el haz láser es demasiado costoso y los instrumentos demasiado frágiles. Pero nuevas tecnologías están disponibles que están óptimamente adaptadas a aplicaciones industriales.

MKS Instruments, por ejemplo, introdujo recientemente un nuevo medidor de potencia que no solo cubre una amplia gama de aplicaciones láser, sino que también es bastante pequeño, compacto y robusto. El Ophir Ariel determina potencia láser hasta 8 kW basado en una medición rápida de la energía. Incluso en modo continuo, niveles de potencia hasta 500W pueden medirse. Diferentes rangos de longitud de onda — 440-550nm, 900-1100nm, 10,6 µm y 2,94 µm — pueden calibrarse y medirse con un dispositivo. El difusor incluido puede adjuntarse fácilmente para que el instrumento también funcione con altas densidades de potencia, como cuando el diámetro del haz es pequeño.

Dado el tipo de entornos industriales en los que se usa medición láser, el diseño del sistema necesita ser robusto; preferiblemente a prueba de golpes, polvo y salpicaduras; sin necesidad de enfriamiento con agua o aire. Esto permite mediciones en cámaras de construcción cerradas, como a menudo es la necesidad en manufactura aditiva o celdas de robot. Las mediciones deben ser legibles vía Bluetooth usando una app o en una PC, y mostradas directamente en una pantalla de alta resolución. Alternativamente, pueden almacenarse en la memoria interna y transferirse sobre una interfaz USB-C. Desarrolladores, operadores y técnicos de servicio pueden obtener una primera impresión de la calidad del proceso determinando rápidamente la potencia láser con tales instrumentos compactos.

Procesos Automatizados

Para medición de rendimiento en sistemas de producción láser automatizados, también hay sistemas compactos y robustos disponibles que operan sin necesidad de enfriamiento por agua. Tales sistemas miden el haz láser rápida y fiablemente, y transmiten los datos a un sistema central de almacenamiento de datos vía una interfaz de red apropiada. Tales sistemas incluyen una interfaz RS232 estándar. Sistemas más modernos, como el Ophir Helios Plus, también tienen una interfaz Profinet o Ethernet/IP. Usando un método de medición térmica, tales dispositivos pueden determinar potencias láser hasta 10 kW o más en solo unos segundos.

Incluso en procesos muy complejos, como soldar paquetes de baterías o manufacturar una celda de combustible, la medición proactiva de potencia láser puede ser tanto rápida como precisa. Sin embargo, debe notarse que medir la potencia láser proporciona solo una primera visión de procesos más complejos.

Para sacar conclusiones fiables sobre la cauchera del haz láser, se requiere ya sea un sistema de medición basado en cámara o un método sin contacto para medición. La Figura 3, izquierda, muestra un dispositivo de medición basado en cámara que debe moverse a lo largo del eje z para encontrar la posición de foco por medio de los perfiles de haz determinados. Cambios rápidos en la posición de foco son por lo tanto difíciles de detectar. A la derecha hay una representación esquemática de una tecnología de medición sin contacto, que muestra que la cauchera del haz completo se registra de una vez. Aquí, un cambio en la posición de foco se muestra inmediatamente y se resuelve en espacio y tiempo.

Especialmente en el campo de producción automatizada, la medición sin contacto del haz láser demuestra tener un futuro brillante. En áreas sensibles, como la manufactura de cajas de cambios o paquetes de baterías, nuevos productos combinan múltiples métodos de medición en un solo sistema. En el sistema Ophir BeamWatch Integrated, por ejemplo, las caucheras de haz pueden grabarse usando tecnología de medición sin contacto; una cabeza de medición refrigerada por agua para láseres de alta potencia determina la potencia láser; y los datos de medición se pasan a la red de producción vía interfaces integradas (Profinet, Ethernet/IP, CC-Link, GigE). Diferentes cabezales de soldadura y parámetros también pueden probarse. Capturando el haz a tasas de fotogramas de video, el desplazamiento de foco puede detectarse en tiempo casi real, como se muestra en la Figura 4. Aquí, una ventana protectora sucia fue la culpable del desplazamiento de foco.

Mayor Sostenibilidad

Los sistemas láser son centrales para una variedad de procesos de manufactura complejos. Gracias a nuevas innovaciones en tecnologías de medición, fabricantes y usuarios ahora tienen una amplia gama de opciones para medir proactivamente el haz láser. Parámetros clave del láser pueden registrarse y ajustarse rápida y precisamente. Esto asegura que el proceso corra bajo condiciones óptimas, que no hay costos adicionales debido a energía y materiales desperdiciados, y que los productos manufacturados cumplan los requisitos de calidad más altos. La tecnología de medición para el láser contribuye así significativamente a producción sostenible.

Este artículo fue escrito por Christian Dini, Director de Desarrollo de Negocio, Ophir (North Logan, UT). Para más información, visite aquí.