Corte por láser explicado: proceso, tipos y aplicaciones

El corte por láser es un método de procesamiento no tradicional que utiliza un haz intensamente enfocado de luz coherente llamado láser para cortar material. Es un proceso sustractivo en el que el material se elimina continuamente durante el proceso de corte. Esto se logra mediante vaporización, fusión, ablación química o propagación controlada de grietas.

La óptica láser es controlada digitalmente por CNC (Control Numérico Computarizado), lo que hace que el proceso sea adecuado para taladrar orificios tan pequeños como 5 micrones. Además, el proceso no crea tensiones residuales en el material, permitiendo el corte de materiales delicados y frágiles.

¿Cómo funciona el corte por láser?

Una máquina de corte por láser funciona de manera similar a una máquina CNC, pero utiliza un láser de alta potencia. El láser guiará el material o el haz a través del CNC y el equipo óptico. La máquina utilizará el CNC, o el código G proporcionado, para cortar el material y controlar el movimiento.

Después de que el haz láser se enfoca, el material se funde, vaporiza y quema. Además, al soplar el material con un chorro de gas, se puede obtener una superficie de borde terminado de alta calidad. La generación del haz láser tiene lugar en un recipiente cerrado, donde una lámpara o descarga eléctrica estimula el material luminiscente.

La amplificación del material luminiscente ocurre después de la reflexión interna a través de un espejo parcial. Este fenómeno continúa hasta que se ha acumulado suficiente energía en un flujo de luz monocromática coherente para permitir su escape. La intensidad de la luz aumenta después de haber sido enfocada en el área de trabajo usando una fibra o espejo.

El diámetro del haz láser es inferior a 0.32 mm en su borde más delgado. Por el contrario, el ancho de la incisión puede ser potencialmente tan pequeño como 0.10 mm. Sin embargo, esto depende del espesor del material. Si el material se corta con un cortador láser sin comenzar desde el borde del material, entonces se utiliza un proceso de perforación.

Tipos de corte por láser

Para el corte, hay tres tipos principales de láseres. Son CO2, Nd-YAG (granate de aluminio de itrio y neodimio) y láseres de fibra. Difieren en el material base utilizado para generar el haz láser.

Láseres de dióxido de carbono

Este tipo de láser tiene un medio de descarga de gas lleno con 10-20% de dióxido de carbono, 10-20% de nitrógeno, cantidades traza de hidrógeno y xenón, y helio. El bombeo láser se realiza no por luz sino por corriente de descarga.

A medida que la descarga pasa a través del medio de iluminación, las moléculas de nitrógeno se excitan a un nivel de energía más alto. A diferencia de lo descrito anteriormente, estas moléculas de nitrógeno excitadas no pierden energía debido a la emisión de fotones.

En su lugar, transfieren la energía de sus modos vibracionales a las moléculas de CO2. Este proceso continúa hasta que la mayoría de las moléculas de CO2 están en un estado transferible. Las moléculas de dióxido de carbono luego emiten luz infrarroja a 10.6 µm o 9.6 µm, llevándolas a un nivel de energía más bajo.

Los espejos resonantes están diseñados para reflejar los fotones emitidos en estas longitudes de onda. Un espejo es un reflector parcial que permite la liberación del haz infrarrojo utilizado para cortar el material.

Después de liberar la luz infrarroja, la molécula de CO2 regresa al estado fundamental transfiriendo su energía restante a los átomos de helio dopados. Los átomos de helio fríos luego se vuelven muy calientes y son enfriados por el sistema de enfriamiento del láser. Los láseres CO2 tienen una eficiencia de aproximadamente 30%, mayor que otros láseres.

Láseres de cristal (rubí, Nd y Nd-YAG)

A diferencia de los láseres CO2, este tipo de láser es un láser de estado sólido que utiliza cristales sintéticos como medio emisor de luz. El más común es un cristal YAG (Y3Al5O12) dopado con 1% de neodimio ionizado (Nd3+).

Los iones Nd en este cristal reemplazan los iones Y en la estructura cristalina. Las varillas son aproximadamente 10 cm de longitud y 6 a 9 cm de diámetro. Los extremos de las varillas YAG están pulidos y recubiertos con un material altamente reflectante que sirve como sistema resonante.

Un flash de criptón o diodo láser logra el bombeo láser. Este bombeo láser excita los iones de neodimio a niveles de energía más altos. Después de algún tiempo, los iones de neodimio excitados entran en un estado más estable y inferior sin emitir fotones. Este proceso continúa hasta que el medio está lleno de iones Nd excitados. Desde su estado degradado, el ion Nd emite luz infrarroja a una longitud de onda de 1064 nm.

Láseres de fibra

Los láseres de fibra son una forma más nueva de láser que emite luz usando fibras ópticas en lugar de gases (láseres CO2) o cristales (láseres Nd-YAG). Debido a que usa fibras ópticas, los láseres de fibra son láseres de estado sólido que funcionan de manera similar a los láseres de cristal.

La fibra óptica está dopada con elementos como erbio e iterbio. El erbio produce luz en el rango de 1528 a 1620 nm. Por otro lado, el iterbio produce luz a 1030 nm, 1064 nm y 1080 nm.

Se sabe que cuando la luz pasa a través de una fibra óptica, permanece dentro con pérdida mínima de energía. Esto hace que las fibras ópticas sean más estables que otros tipos que requieren alineación precisa.

Ventajas de la máquina de corte por láser

Alta precisión y exactitud

Los láseres emplean un haz de luz enfocado para cortar objetos con extrema precisión. El láser es potente y diminuto, pero funde y evapora material con precisión inigualable. La mayoría de las veces, las tolerancias láser varían de 0.003 mm a 0.006 mm.

Los cortadores de plasma tienen un nivel de tolerancia de aproximadamente 0.02 mm, que es mayor que el corte por láser. Del mismo modo, otras herramientas de corte tienen niveles de tolerancia entre 1 y 3 mm, o incluso superiores. Supongamos que se requiere una máquina de alta precisión y exactitud en el proceso de fabricación. En este caso, la herramienta preferida suele ser un cortador láser. Por lo tanto, la industria aeroespacial utiliza corte por láser, que requiere niveles de tolerancia ajustados.

Menor costo y más asequible

El corte por láser tiene una ventaja económica sobre otras máquinas CNC del mismo calibre, que es una de las ventajas de la tecnología láser. Las herramientas personalizadas ya no son necesarias, gracias a la tecnología de corte por láser. Tampoco necesita modificar el equipo para ningún proyecto porque no se necesitan herramientas de corte adicionales.

Además, no hay contacto físico, por lo que no hay desgaste en la superficie. Debido a que las máquinas de corte por láser tienen pocas piezas mecánicas, son menos costosas de mantener que otras tecnologías de procesamiento. El costo de operación de la máquina también será menor en comparación con las herramientas de fabricación tradicionales.

Para trabajos de extrema complejidad

Muchas tareas que pueden ser demasiado complejas para otras tecnologías de corte se volverán simples para las máquinas de corte por láser; la tecnología láser puede trabajar en los bordes más delgados del material. Aunque el área de corte puede estar ligeramente distorsionada o torcida, puede producir geometrías complejas rápidamente con un cortador láser. El corte por láser tiene un amplio nivel de tolerancia y puede acomodar diversos materiales.

Alta utilización de lámina y menos desperdicio

Cuando corta material con un cortador láser, solo se desperdicia una cantidad muy pequeña de material. Esto hace que el corte por láser se destaque de otras máquinas con una porción significativa de material. Con un cortador láser, los fabricantes pueden maximizar el uso del material. A medida que los recursos se utilizan de manera más eficiente, se desperdicia menos material y se reducen los costos de producción.

Prevención de daños

Otro beneficio del corte por láser es evitar daños, incluso en los materiales más estrechos. Muchas personas tienden a creer información errónea sobre la máquina, creyendo que la distorsión o daño al material es inevitable.

Esta creencia popular se basa en la premisa de que se usa alto calor en el proceso de corte por láser. Debe tener en cuenta que el calor afecta solo una pequeña área del material y no afecta las tolerancias. El corte por láser de láminas es increíblemente rápido, por lo que el tiempo requerido para el corte es menor. Como resultado, los fabricantes pueden evitar fácilmente la deformación y distorsión.

Bajo consumo de energía

Necesitaría mucha energía para lograr un corte en la vida real. Sin embargo, las máquinas de corte por láser no tienen otras partes móviles, lo que reduce el consumo de energía. En contraste, las máquinas con partes móviles tienden a consumir más energía. Además, los cortadores láser cortan material en muy poco tiempo. Esto ayuda a ahorrar tiempo y energía. Cuando se consume menos energía, el costo de operación también se reduce.

Compatibilidad con una variedad de materiales

Es interesante notar que esta máquina puede trabajar en varios materiales. Además de cortar materiales, el corte por láser también ayuda con otros procesos como marcado, taladrado y grabado. Vale la pena notar que no necesita cambiar o cambiar herramientas para hacer todos estos diferentes trabajos.

El corte por láser no se limita a cortar metal. Otros materiales de corte por láser incluyen madera, aluminio, plástico, cobre y latón. El corte por láser es un proceso versátil porque puede cortar fácilmente casi todo tipo de materiales diferentes.

Desventajas de la máquina de corte por láser

Si bien el corte por láser tiene muchos beneficios, también tiene algunos inconvenientes que debe conocer. Los discutiremos a continuación.

El corte por láser de plásticos produce humos tóxicos y requiere ventilación, lo que puede ser una tarea costosa.

El corte por láser efectivo también depende del espesor de la pieza, el material que se corta y el tipo de láser que se usa. Sin el cuidado adecuado, el material cortado puede quemarse, y algunos metales pueden decolorarse a menos que se use la intensidad láser correcta. Si bien el corte por plasma aún puede cortar láminas más gruesas que el corte por láser, los avances en la tecnología láser significan que esta brecha se está cerrando, aunque los costos de las máquinas siguen siendo altos.

Finalmente, aunque es un proceso automatizado, la puesta en marcha y el mantenimiento requieren participación humana, y existe riesgo de quemaduras graves si el operador entra en contacto con el láser.

Aplicación del corte por láser

Como se mencionó anteriormente, el corte por láser es un sector emocionante que siempre está evolucionando.

Aquí hay algunos de los usos más prevalentes del corte por láser en la actualidad.

Industria automotriz

El corte por láser ha encontrado un hogar en la industria automotriz debido a su capacidad para reproducir piezas con relativa velocidad y precisión. La reproducción precisa de piezas de diversas formas y tamaños es crítica en el sector automotriz. El corte por láser se usa para cortar metales y plásticos para formar piezas de carrocería, componentes electrónicos, cubiertas interiores y botones para automóviles.

Además, las máquinas de corte por láser pueden grabar botones en interiores automotrices para permitir que la luz brille a través y registrar números de serie y de pieza en las piezas fabricadas. Los moldes utilizados para cortar diferentes piezas también pueden cortarse con láser.

El corte por láser es adecuado para cortar piezas hidróformadas. Estas son típicamente tubos resistentes que ofrecen soporte para la construcción del vehículo. Típicamente, estas piezas se usan para crear marcos de motor o paneles de instrumentos.

Industria de moldes y utillaje

Como se señaló anteriormente, el corte por láser puede utilizarse para hacer moldes para piezas duplicadas. Usando la capacidad del láser para cortar diferentes profundidades en metal, se pueden crear moldes extremadamente precisos para piezas estampadas que pueden usarse consistentemente a través de un proceso repetitivo de troquelado.

La duplicación de moldes con corte por láser también es un proceso rápido y preciso.

Los moldes de inyección pueden hacerse con la misma precisión que los moldes usando corte por láser.

Esto simplifica el proceso de fabricación de moldes y hace que la reproducción precisa de moldes sea un procedimiento mucho más rápido y costoso.

En la fabricación de herramientas, los cortadores láser pueden usarse para marcado y grabado en la industria automotriz y para hacer herramientas manuales simples. La velocidad de los cortadores láser puede incluso hacerlos mejores que el troquelado en metales fuertes. Debido a la versatilidad de sus usos de materiales, incluso puede grabar logotipos de empresa e información de herramientas en mangos de goma de la mayoría de las herramientas.

Industria joyera

La precisión del corte por láser lo hace fácil de usar en procesos de joyería. Por ejemplo, imagine un reloj con muchos engranajes pequeños. Los láseres se cortan con precisión para hacer engranajes con menos desperdicio y tiempo de producción. Además, las capacidades de grabado del láser permiten marcar piezas durante el proceso de fabricación.

Debido a que los láseres pueden cortar formas y espesores precisos, el corte por láser también puede usarse para hacer joyas. Crear un anillo o pulsera de ancho, profundidad y diámetro precisos puede lograrse fácilmente con un láser. Los láseres también pueden grabar diseños e inscripciones en superficies interiores o exteriores.

Fabricación de dispositivos médicos

Las ventajas más significativas del corte por láser en la industria médica son la cirugía láser y la fabricación de productos médicos.

La cirugía láser permite a los cirujanos hacer cortes precisos y los pacientes sanan más rápido. Las piezas cortadas por láser se usan para fabricar dispositivos médicos que mejoran la calidad de vida de los pacientes. Por ejemplo, stents, marcos de válvulas, clips vasculares, bisagras óseas, ejes flexibles y fresas están todos hechos de piezas cortadas por láser.

Fabricación cerámica

Las cerámicas tienen varias cualidades que permiten a los ingenieros emplearlas en diversas aplicaciones. Su baja conductividad eléctrica y térmica las hace excelentes aislantes. No reaccionan con otros químicos, tienen un alto punto de fusión y son extremadamente duraderas.

Los láseres a menudo se usan para cortar cerámicas porque reducen el tiempo de procesamiento sin sacrificar la calidad del borde. Motores a reacción de aviones, motores eléctricos, altavoces, auriculares, generadores de plantas de energía, ollas arroceras e incluso lámparas incandescentes tienen piezas cerámicas.

Fabricación de silicio

Otro material que puede beneficiarse del corte por láser es el silicio, que tiene muchas aplicaciones. El corte de precisión permite a los ingenieros producir piezas de silicio más pequeñas que las hechas usando otros métodos de corte.

El silicio es resistente a altas temperaturas y al envejecimiento, y es fácil de trabajar. Las aplicaciones típicas para el silicio se encuentran en computadoras, electrónica, textiles, productos domésticos, automóviles y construcción.

Conclusión

La introducción del corte por láser ha proporcionado valiosos beneficios a la industria manufacturera. La máquina ayuda a cortar muchos materiales en un período, ahorrando tiempo y reduciendo costos operativos. Comprender los pros y contras del corte por láser le ayudará a tomar la mejor decisión para su proyecto.