Mecanizado por haz láser explicado: tipos, procesos y aplicaciones

¿Qué es el mecanizado por haz láser?

El mecanizado por haz láser (LBM) es una forma de mecanizado que utiliza calor dirigido desde un haz láser. Este proceso usa energía térmica para eliminar material de superficies metálicas o no metálicas. La alta frecuencia de luz monocromática incide sobre la superficie, luego el calentamiento, fusión y vaporización del material ocurren debido al impacto de fotones.

El mecanizado por haz láser es más adecuado para materiales frágiles con baja conductividad, pero puede usarse en la mayoría de materiales.

El mecanizado por haz láser puede realizarse en vidrio sin fundir la superficie. Con vidrio fotosensible, el láser altera la estructura química del vidrio permitiendo que sea grabado selectivamente. El vidrio también se conoce como vidrio foto-maquinable.

La ventaja del vidrio foto-maquinable es que puede producir paredes verticales precisas y el vidrio nativo es adecuado para muchas aplicaciones biológicas como sustratos para análisis genético.

Definición de mecanizado por haz láser

Un mecanizado por haz láser es un método de mecanizado no convencional en el que la operación se realiza por luz láser. La luz láser tiene temperatura máxima y golpea la pieza de trabajo; debido a la alta temperatura, la pieza se funde. El proceso usa energía térmica para eliminar material de una superficie metálica.

Tipos de láseres

Hay muchos tipos diferentes de láseres, incluyendo gases, láseres de estado sólido y excímeros.

Algunos de los gases más comúnmente usados consisten en: He-Ne, Ar y láser de dióxido de carbono.

Láseres de estado sólido están diseñados dopando un elemento raro en varios materiales huésped. A diferencia de los láseres de gas, los láseres de estado sólido son bombeados ópticamente por lámparas de flash o lámparas de arco. El rubí es uno de los materiales huésped más usados en este tipo de láser.

Un láser de rubí es un tipo de láser de estado sólido cuyo medio láser es un cristal de rubí sintético. La varilla de rubí sintético es bombeada ópticamente usando un tubo de flash de xenón antes de ser usada como medio láser activo.

YAG es una abreviatura de granate de aluminio de itrio, que son cristales usados para láseres de estado sólido, mientras que Nd:YAG se refiere a cristales de granate de aluminio de itrio dopados con neodimio que se usan en láseres de estado sólido como medio láser.

Los láseres YAG emiten una longitud de onda de ondas de luz con alta energía. Nd:vidrio es medio de ganancia dopado con neodimio hecho de materiales de silicato o fosfato que se usan en un láser de fibra.

Partes del mecanizado por haz láser

1. Fuente de alimentación

Se requiere alto voltaje para el láser. La energía se suministra al sistema para excitar el electrón. Cuando se suministra la energía, el electrón entra en un estado excitado, es decir, listo para trabajar.

2. Lámparas de flash

Las lámparas de flash se usan para proporcionar luz blanca y coherente por una duración muy corta.

3. Condensador

En general, conocemos el trabajo del condensador, se usa para almacenar y liberar la carga. Aquí se usa durante el proceso de flash.

4. Espejo reflectante

Un espejo reflectante se usa aquí para reflejar la luz directamente a la pieza de trabajo. Es de dos tipos: interno y externo.

5. Lente

Las lentes se proporcionan aquí para propósitos de visión. Muestran la imagen en un tamaño mayor para que sea fácil realizar una operación en la marca de la pieza de trabajo dada.

6. Pieza de trabajo

La pieza de trabajo es como el objeto en el que se debe llevar a cabo la operación. Por ejemplo, si el cuerpo necesitara alguna operación láser, nosotros seríamos la pieza de trabajo para esta máquina, igual que en la fabricación, los objetos que necesitan taladrarse o agujerearse, la máquina láser lleva a cabo la operación.

Principio de funcionamiento del mecanizado por haz láser

En este proceso, el haz láser se llama luz monocromática, que se hace enfocar en la pieza de trabajo a mecanizar mediante una lente para dar una densidad de energía extremadamente alta para fundir y vaporizar cualquier material.

El cristal láser (rubí) está en forma de cilindro como se muestra en la figura o diagrama anterior con extremos reflectantes planos que se colocan en una bobina de lámpara de flash de aproximadamente 1000W.

El flash se simula con luz blanca de alta intensidad de xenón. El cristal se excita y emite el haz láser que se enfoca en la pieza de trabajo usando la lente.

El haz producido es extremadamente estrecho y puede enfocarse en un área puntual con una densidad de potencia de 1000 kW/cm2. Lo que produce alto calor y la porción del metal se funde y vaporiza.

Aplicaciones del mecanizado por haz láser

Los láseres pueden usarse para soldadura, revestimiento, marcado, tratamiento de superficie, taladrado y corte, entre otros procesos de fabricación. Se usa en las industrias automotriz, naval, aeroespacial, acero, electrónica y médica para el mecanizado de precisión de piezas complejas.

La soldadura láser es ventajosa en que puede soldar a velocidades de hasta 100 mm/s, así como la capacidad de soldar metales disímiles. El revestimiento láser se usa para recubrir piezas baratas o débiles con material más duro para mejorar la calidad de la superficie. El taladrado y corte con láseres son ventajosos en que hay poco o ningún desgaste en la herramienta de corte ya que no hay contacto para causar daño.

El fresado con láser es un proceso tridimensional que requiere dos láseres, pero reduce drásticamente los costos de mecanizado de piezas. Los láseres pueden usarse para cambiar las propiedades de superficie de una pieza de trabajo.

La aplicación del mecanizado por haz láser varía según la industria. En manufactura ligera, la máquina se usa para grabar y taladrar otros metales. En la industria electrónica, el mecanizado por haz láser se usa para pelado de cables y escamado de circuitos. En la industria médica, se usa para cirugía cosmética y depilación.

Ventajas del mecanizado por haz láser

• Dado que los rayos de un haz láser son monocromáticos y paralelos (es decir, étendue cero), puede enfocarse en un diámetro pequeño y puede producir hasta 100 MW de potencia por milímetro cuadrado de área.
• El mecanizado por haz láser tiene la capacidad de grabar o cortar casi todos los materiales, donde los métodos de corte tradicionales pueden fallar.
• Hay varios tipos de láseres, y cada uno tiene diferentes usos.
• El costo de mantener láseres es moderadamente bajo debido a la baja tasa de desgaste, ya que no hay contacto físico entre la herramienta y la pieza de trabajo.
• El mecanizado proporcionado por haces láser es de alta precisión, y la mayoría de estos procesos no requieren acabado adicional.
• Los haces láser pueden combinarse con gases para ayudar al proceso de corte a ser más eficiente, ayudar a minimizar la oxidación de superficies y/o mantener la superficie de la pieza de trabajo libre de material fundido o vaporizado.

Desventajas del mecanizado por haz láser

• El costo inicial de adquirir un haz láser es moderadamente alto. Hay muchos accesorios que ayudan en el proceso de mecanizado, y como la mayoría de estos accesorios son tan importantes como el haz láser mismo, el costo de puesta en marcha del mecanizado se eleva aún más.
• El manejo y mantenimiento del mecanizado requiere individuos altamente capacitados. Operar el haz láser es comparativamente técnico, y pueden requerirse servicios de un experto.
• Los haces láser no están diseñados para producir procesos de metal en masa.
• El mecanizado por haz láser consume mucha energía.
• Los cortes profundos son difíciles con piezas de trabajo con puntos de fusión altos y usualmente causan conicidad.

Preguntas frecuentes.

¿Qué es el mecanizado por haz láser?

El mecanizado por haz láser (LBM) es una forma de mecanizado que usa calor dirigido desde un haz láser. Este proceso usa energía térmica para eliminar material de superficies metálicas o no metálicas.

¿Cuál es la ventaja del mecanizado por haz láser?

Las principales ventajas del mecanizado por haz láser son la facilidad de automatización para patrones de corte complejos, ausencia de desgaste y rotura de herramientas, capacidad de cortar en ángulos poco profundos y tasas de corte rápidas. Al ser un proceso sin contacto, la transferencia de energía entre el láser y el material ocurre por irradiación.

¿Qué láser se usa en el mecanizado por haz láser?

Tipos de láseres usados para mecanizado por haz láser: láseres de gas como CO2 y láseres excímeros, junto con láseres de estado sólido como Nd:YAG y YAG y láseres de femtosegundo, son algunos de los láseres más populares.

¿Cuál es el principio del mecanizado por haz láser?

Se enfoca en la pieza de trabajo para mecanizar este haz láser producido. Cuando el haz láser golpea las superficies de la P/T, la energía térmica del haz láser se transfiere a las superficies de la P/T. Calienta, funde, evapora y eventualmente hace el material una pieza de trabajo.

¿Cuáles son las características del haz láser?

En el Capítulo 1 se afirmó que las propiedades más características de los haces láser son (i) monocromaticidad, (ii) coherencia (espacial y temporal), (iii) direccionalidad, (iv) brillo.

¿Qué material láser se usa en el proceso LBM?

Hay una serie de tipos de láser desarrollados en la categoría de estado sólido en la que Nd:YAG se usa mayormente para aplicaciones LBM. Láseres de estado sólido como Nd:YAG, rubí y Nd-vidrio son altamente usados para mecanizar materiales metálicos. Los láseres Nd:YAG también pueden usarse para materiales cerámicos.

¿Qué es la fabricación láser?

La fabricación basada en láser se aplica actualmente en muchas industrias diferentes para procesar diferentes tipos de materiales, desde cerámicas hasta polímeros y hasta metales. Los avances en tecnología láser han permitido el procesamiento láser de virtualmente cualquier material con precisión y eficiencia sin precedentes.

¿El mecanizado por haz láser requiere vacío durante toda la operación?

Explicación: El mecanizado por haz láser es más versátil y puede usarse para metal así como no metal. No requiere un entorno de vacío. Explicación: En el proceso de mecanizado por haz láser, la zona afectada por calor tiene un área menor en comparación con otros procesos de mecanizado no convencionales.

¿Cuáles son los tipos de láseres?

Basados en su medio de ganancia, los láseres se clasifican en cinco tipos principales:

• Láseres de gas.
• Láseres de estado sólido.
• Láseres de fibra.
• Láseres líquidos (láseres de tinte)
• Láseres semiconductores (diodos láser)

¿Cuáles son las principales propiedades y aplicación de los haces láser?

Un láser es un dispositivo que proyecta un haz de luz altamente concentrado y estrecho que se amplifica usando radiación estimulada. Los láseres tienen tres propiedades: coherencia, colimación y propiedades monocromáticas. Estas tres propiedades de los láseres producen un punto focal pequeño de poder intenso.

¿Qué materiales pueden mecanizarse usando un haz láser?

El mecanizado por haz láser es independiente de la naturaleza eléctricamente conductiva de la pieza de trabajo. Puede mecanizar una amplia gama de materiales desde plásticos hasta diamantes. El mecanizado por haz láser proporciona una amplia gama de técnicas de procesamiento de materiales que van desde taladrado, corte, ranurado, esculpido, marcado, limpieza y torneado, etc.

¿Por qué el mecanizado por haz láser no puede usarse para agujeros mayores?

La radiación láser que supera una cierta densidad de potencia produce fusión y vaporización del material y eyección de partículas sólidas. Con el aumento del diámetro y profundidad del agujero, las partículas sólidas eyeccionadas se funden y depositan en las paredes y el fondo de los agujeros, por lo que no es adecuado para taladrado de agujeros profundos.

¿Cómo es el costo operativo de las máquinas usadas en mecanizado por haz láser?

El mecanizado es muy rápido y los tiempos de configuración son económicos en mecanizado por haz láser.

¿Cómo es el costo operativo de las máquinas usadas en mecanizado por haz láser?

El costo operativo de las máquinas en LBM es bajo pero el costo del equipo en sí es alto.

¿Qué hace la tecnología láser?

Los dispositivos láser usan luz para almacenar, transferir o imprimir imágenes y texto; también se usan en una amplia gama de otras aplicaciones, incluyendo cirugía y armamento. La radiación coherente del láser le da una fuerza especial.

¿Qué es la inversión de población en mecanizado por haz láser?

• Para la acción láser, la población de átomos en el estado de mayor energía debe aumentarse. El proceso de aumentar la población del nivel de mayor energía, es decir, hacer N2 > N1, se llama inversión de población.
• El método de lograr la inversión de población se llama bombeo.

¿Cuáles son las aplicaciones del mecanizado láser?

Aplicaciones. Los láseres pueden usarse para soldadura, revestimiento, marcado, tratamiento de superficie, taladrado y corte, entre otros procesos de fabricación. Se usa en las industrias automotriz, naval, aeroespacial, acero, electrónica y médica para el mecanizado de precisión de piezas complejas.

¿Se usa haz de electrones en mecanizado por haz láser?

Un haz de electrones de alta intensidad enfocado se usa para suministrar calor para eliminación de material. Un haz de láser de alta intensidad (fotones coherentes) se usa para suministrar calor para eliminación de material.

¿Quién inventó el haz láser?

Theodore Maiman de Hughes Research Laboratories, con el primer láser funcional. Theodore Maiman desarrolló el primer láser funcional en Hughes Research Lab en 1960, y su artículo describiendo la operación del primer láser fue publicado en Nature tres meses después.

¿Qué es un láser Clase 3?

Los láseres Clase 3 son láseres de potencia media o sistemas láser que requieren medidas de control para prevenir la visualización del haz directo. Las medidas de control enfatizan prevenir la exposición del ojo al haz primario o reflejado espejo.

¿Es LBM una limitación?

LBM es aplicable solo para secciones delgadas y donde se elimina una pequeña cantidad de material. El control del tamaño del agujero es difícil. Los agujeros taladrados pueden tener una ligera formación cónica, por lo que no son adecuados para agujeros grandes.

¿Cuándo se inventó el haz láser?

Diciembre 1958: Invención del láser. De vez en cuando, ocurre un avance científico que tiene un impacto revolucionario en la vida diaria. Un ejemplo de esto es la invención del láser, que significa amplificación de luz por emisión estimulada de radiación.

¿Pueden los láseres cortar metal?

Los láseres pueden cortar a través de muchos materiales y se usan típicamente en unos pocos tipos selectos de metal — en particular, acero al carbono, acero dulce, acero inoxidable, aleaciones de acero y aluminio.