Mecanizado por Haz Láser: Componentes, Principios, Aplicaciones y Limitaciones

En este artículo aprenderás qué es el mecanizado por haz láser, cómo funciona, explicados sus componentes, principio de funcionamiento con diagrama. También las ventajas y desventajas del mecanizado por haz láser.

Introducción

¿Qué es el mecanizado por haz láser?

El mecanizado por haz láser es un proceso de mecanizado no convencional, en el que un láser se dirige hacia la pieza de trabajo para mecanizarla. Este proceso usa energía térmica para remover metal de superficies metálicas o no metálicas.

El láser es radiación electromagnética. Produce luz monocromática que está en forma de un haz casi colimado que puede enfocarse ópticamente en puntos muy pequeños de menos de 0.002 mm de diámetro.

La palabra 'LÁSER' significa Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación.

Principio de Funcionamiento del Mecanizado por Haz Láser

Consideremos que los átomos de un medio (por ejemplo, una varilla de cristal de rubí) están en el estado fundamental. Cuando un quantum de energía de una fuente de luz incide sobre este medio, causa absorción de radiación por los átomos del medio.

Esto resulta en un electrón de los átomos del medio saltando al nivel de energía superior.

Los átomos en el nivel de energía superior se dice que están en estado excitado. El átomo en estado excitado comienza inmediatamente 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 luz de la frecuencia apropiada, ocurrirá emisión estimulada en el nivel de energía superior cuando los átomos comiencen a emitir y la reacción en cadena ocurrirá causando que más emitan y toda la avalancha caería junta. Esto se llama la acción láser.

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Partes del Circuito Láser

A continuación se presentan las partes principales del mecanizado por haz láser:

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

Este amplificador se llama láser. A estas partes básicas deben agregarse un sistema de control y un sistema de enfriamiento. La parte más importante del aparato láser es el cristal láser. El cristal láser comúnmente usado es un Rubí artificial consistente en óxido de aluminio al que se ha introducido 0.05% de cromo.

Las varillas de cristal son usualmente redondas y las superficies finales se hacen reflectantes mediante espejos. El material láser necesita una fuente de energía llamada bomba. Esta puede ser una lámpara de destello llena de xenón, argón o gas kriptón. 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 destello hacia la varilla para que la mayor energía posible pueda ser absorbida por el material láser.

Los átomos de cromo en el rubí son así excitados a altos niveles de energía. El átomo excitado emite energía (fotones) al 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 Haz Láser

En operación, la pieza a cortar se coloca en la mesa de trabajo de aluminio (que es resistente a ser cortada por el haz láser).

El cabezal láser se desplaza sobre la pieza 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 perfil real, colocado en un banco cercano.

El láser en pulsos cortos tiene una potencia de salida de casi 10 kW/cm² de la sección transversal del haz.

Al enfocar un haz láser en un punto de 1/100 de mm², el haz puede concentrarse en un destello corto a una densidad de potencia de 100,000 kW/cm² y energía de varios julios durando una fracción minúscula de segundo.

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

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

El mecanismo por el cual un haz láser remueve material de la superficie trabajada incluye una mezcla de procesos de fusión y evaporación.

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

Tasa de Mecanizado

El láser puede usarse para cortar y taladrar. La tasa de remoción de material en LBM es comparativamente baja y es del orden de 4000 mm³/hr.

La velocidad de corte se encuentra con la siguiente relación:

Donde,

P = Potencia láser incidente en la superficie, W

E = Energía de vaporización del material, W/mm³

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

t1 = Espesor del material, mm

k = constante característica del material y 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 viene dada por:

Donde,

Pg = Densidad del material, kg/m³

Vg = Volumen a evaporar, m³

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 usa mejor para cortar y taladrar.
• Para lograr los mejores resultados en taladrado, es imperativo que el material se ubique dentro de una tolerancia de ±0.2 mm del punto focal.
• La precisión en corte de perfil con control numérico o trazador fotoeléctrico es de aproximadamente ±0.1 mm.

Aplicaciones del Mecanizado por Haz Láser

• El proceso de mecanizado láser actualmente se encuentra adecuado solo en casos excepcionales como mecanizar orificios muy pequeños y cortar perfiles complejos en materiales delgados y duros como cerámicas.
• También se usa en corte parcial o grabado.
• Otras aplicaciones incluyen recorte de chapa, blanking y ajuste de resistencias.
• Aunque LBM no es un proceso de remoción masiva de material, es posible usar este proceso en producción de micro-mecanizado en masa.

Ventajas del Mecanizado por Haz Láser

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

1. No hay contacto directo entre la herramienta y la pieza de trabajo.
2. Es posible mecanizar cualquier material incluyendo no metales.
3. Taladrado y corte de áreas no fácilmente accesibles son posibles.
4. La zona afectada por calor es pequeña debido al haz colimado.
5. Se pueden mecanizar orificios extremadamente pequeños.
6. No hay desgaste de herramienta.
7. Materiales blandos como caucho y plásticos pueden mecanizarse.

Desventajas del Mecanizado por Haz Láser

Una de las principales limitaciones del láser es que no puede usarse para cortar metales que tienen alta conductividad térmica o alta reflectividad, ej., 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 está limitado a chapas delgadas.
3. Tiene una tasa de remoción de material muy baja.
4. Los orificios mecanizados no son redondos y rectos.
5. El sistema láser es bastante ineficiente ya que la vida de la lámpara de destello es corta.
6. El coste es alto.

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Conclusión:

El mecanizado por haz láser es uno de los mejores procesos de mecanizado no convencionales; cualquier material sólido que pueda fundirse sin descomposición puede cortarse con haz láser. Así que eso es todo, hemos discutido todo sobre este tema pero aún, si tienes alguna duda o pregunta, puedes preguntar en los comentarios.

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