Mecanizado híbrido chorro de agua-láser aumenta eficiencia en componentes CFRP y CMC

A medida que los materiales de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) y compuestos de matriz cerámica (CMC) proliferan en motores de aviones, componentes espaciales e aplicaciones hipersónicas, el mecanizado se convierte en un problema donde la precisión y la eficiencia pueden alterar los resultados de los programas. Intentar mecanizar características de alta fiabilidad y alta precisión en CFRP y CMC puede ser desafiante debido a su dureza y abrasividad, resultando en tasas de mecanizado lentas, efectos indeseables en propiedades del material, incapacidad para cumplir especificaciones de piezas y altos costes operativos, incluyendo reemplazo recurrente de herramientas.

Para enfrentar este desafío, se ha desarrollado una gama de tecnologías láser para mecanizar tales compuestos avanzados. Aunque los láseres ofrecen potencial para mayor eficiencia y eliminación de costes recurrentes de herramientas, el calor generado se disipa en el material, creando potencial para microfisuración y cambio de material. Los láseres también cortan en el punto focal del haz de luz, resultando en cortes en forma de V que pueden ser problemáticos para tolerancias precisas.

La tecnología Laser MicroJet desarrollada por Synova (Duillier, Suiza) crea un haz láser que está completamente contenido dentro de un chorro de agua. El láser se refleja en la interfaz aire-agua, similar en principio a una fibra óptica, mientras el agua enfría la zona de corte y lava los residuos del corte. Las ventajas del Laser MicroJet comparado con láseres convencionales incluyen supuestamente ninguna quema o degradación térmica, menos rebabas para superficies más suaves, cortes de lados rectos y mayor precisión.

CW encontró por primera vez el Laser MicroJet en su visita de 2017 a la planta de producción de GE Aviation en Asheville, Carolina del Norte, EE. UU. para componentes CMC de motores. Aquí, se usa para mecanizar agujeros en cubiertas CMC para motores de aviones LEAP. "Esta tecnología ayuda a mantener un alto nivel de precisión en el diámetro del agujero", dice Ryan Huth, gerente de producción CMC de GE Aviation. "El MicroJet puede taladrar estos agujeros en dos minutos versus una hora con mecanizado convencional", dice Huth. La revista hermana de CW, Modern Machine Shop, también ha publicado un artículo informativo sobre el Laser MicroJet.

El poder del agua y la luz

Synova fue fundada en 1997 por el Dr. Bernold Richerzhagen, quien patentó la tecnología Laser MicroJet tras su investigación en el Instituto Federal de Tecnología (EPFL, Lausana, Suiza) en los años 90. La tecnología fue ampliamente adoptada para dicing de obleas de semiconductores en 2001. Synova estableció entonces filiales locales en EE. UU., Japón, India y Corea en 2003. Estas se han expandido para incluir ahora centros de micromecanizado, con expansión planeada a corto plazo para Taiwán y China. En 2009, Synova estableció una asociación de desarrollo cooperativo con Makino Milling Machine Co. Ltd. (Tokio, Japón), introduciendo una nueva serie de máquinas y avanzando estas para el mecanizado de dispositivos médicos, mecanismos de relojes, palas de turbinas de motores de gas y jet, dispositivos semiconductores y herramientas de corte de materiales superduros.

En el sistema Laser MicroJet, un haz láser pasa a través de una cámara de agua presurizada y se enfoca en una boquilla. Los láseres son un tipo industrial común —estado sólido Nd:YAG— con una potencia de 10-200 vatios y una longitud de onda de 1.064 (infrarrojo), 532 o 355 nanómetros. El chorro fino como un cabello —diámetro de 50-70 micras— de agua filtrada y desionizada se usa a una baja presión de 200-650 bar. Esto resulta en bajo consumo de agua, del orden de 2-3 L/hr, y una fuerza insignificante de menos de 0,1 newton ejercida sobre el material.

¿Cómo es posible lograr una ablación láser eficiente dentro del agua? "El láser pulsa aproximadamente 10.000 veces por segundo", explica Jacques Coderre, gerente de negocio de Synova para EE. UU. "Para cada pulso láser, se genera un plasma que empuja el agua hacia arriba, permitiendo que ocurra la ablación. Al final del pulso, el plasma colapsa y el agua ahora limpia la superficie y disipa el calor". Señala que el chorro de agua también elimina la complejidad y variaciones de proceso de mantener el láser en foco típicamente requerido con sistemas láser en seco. "Esto permite cortar piezas gruesas o no planas sin tener que preocuparse por estar en foco", dice Coderre. "La tecnología también produce un láser cilíndrico que crea paredes perfectamente paralelas con anchos de corte estrechos".

Configuración para compuestos

El Laser MicroJet funciona bien no solo para CMC, sino también para CFRP y laminados apilados. Durante las pruebas, produjo agujeros de 3 milímetros de diámetro en un laminado de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) de 2,6 milímetros de espesor a velocidades de hasta 1.440 mm/min. "Con un láser convencional, tienes que reducir velocidad por el calor", señala Coderre. "Los fresadores convencionales pueden alcanzar velocidades similares pero tienen costes operativos más altos debido al reemplazo de herramientas requerido".

El Laser MicroJet puede cortar laminados CMC de 1 pulgada de espesor. "La velocidad se basa en una tasa de ablación bastante constante de 1 mm³/min", observa Coderre.

Synova tiene una gama de máquinas, introduciendo su sistema CNC de cinco ejes LCS 305 el año pasado. "Esta máquina destaca en cortes 3D de alta precisión y es adecuada para piezas CMC pequeñas", explica Coderre. "Pero no es adecuada para piezas CFRP grandes". Para esto, Synova ha integrado su Laser MicroJet en una máquina gantry, capaz de mecanizar piezas de más de 2 metros por 3 metros. "También es fácil de integrar con robots y fácil de programar", añade. Para cortes 2D, el software MicroJet convierte un archivo CAD en código de máquina. Una vez verificado, el operador simplemente presiona un botón y la máquina realiza la rutina de corte. Para cortes 3D, Coderre explica que un postprocesador extrae los datos 3D necesarios del archivo CAD y los formatea para el Laser MicroJet.

Para capacidad Factory 4.0, un medidor de potencia láser, sensor de posicionamiento y corrección automática de ángulo de chorro están integrados en el sistema Laser MicroJet. "Es muy flexible", dice Coderre, "fácil de incorporar en producción de piezas como sistema independiente o como parte de líneas totalmente automatizadas para producción de alto volumen sin operador". La tecnología ya ha sido probada en piezas CMC para motores de aviones LEAP, continúa. "Para compuestos, ofrece costes de fabricación más bajos, logrados a través de velocidades de producción más rápidas, costes operativos reducidos, mayor fiabilidad y mayores rendimientos". Tal eficiencia es exactamente lo que necesitan los compuestos a medida que nuevos materiales, mercados y tecnologías metálicas competitivas continúan evolucionando.