Corte Láser Explicado: Técnicas, Tipos y Aplicaciones

Hay varios usos para el corte láser, una técnica térmica, en producción industrial. Incluso las chapas metálicas de forma más intrincada pueden ser grabadas y cortadas rápidamente por dispositivos de corte láser, proporcionando resultados superiores.

Un cortador láser es un dispositivo que crea componentes 2-dimensionales para uso industrial y aficionado cortando una variedad de materiales en placa o lámina usando un haz láser enfocado de alta energía. Acero, madera y algunos polímeros son materiales comunes.

Además de describir las distinciones entre los diferentes métodos de corte láser. En esta lectura exploraremos qué es el corte láser, sus usos, tipos, materiales y cómo funciona. También hablaremos de sus ventajas y desventajas.

¡Comencemos!

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El corte láser es el método de cortar materiales usando un láser de alta potencia guiado por control numérico computarizado (CNC) a través de ópticas.

Este método se usa comúnmente para cortar materiales, incluyendo metales, plásticos, cerámicas, madera, textiles y papel, en diversos sectores como automoción, aeroespacial, electrónica y médica.

Con la ayuda de un chorro de gas coaxial, un haz láser concentrado se usa en corte láser para fundir material en una ubicación específica y producir un corte. El gas no influye en el haz láser en sí, pero puede quemar, fundir o evaporar objetos eficientemente.

Cualquier residuo resultante puede luego soplarse, garantizando un borde final de alta calidad. Grabado y soldadura también podrían hacerse con corte láser.

Láseres de neodimio (Nd), láseres CO₂ y láseres de granate de aluminio-itrio-neodimio (Nd:YAG) son los tres métodos principales para corte láser. El rendimiento de un láser puede verse influido por su tipo.

Precisión, exactitud, menos contaminación y sujeción más simple son algunos beneficios. Específicamente, los láseres de fibra son renombrados por sus excepcionales capacidades de corte de precisión.

La capacidad de los láseres de fibra para proporcionar calidad de haz constante a distancias extendidas es una de sus principales ventajas; esto permite corte uniforme en una gama de materiales y espesores. Esta uniformidad reduce la necesidad de post-procesado y mejora la calidad del borde.

"Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación", o "Láser", es una abreviatura que se refiere a la física de producir luz láser. Aunque los principios básicos de la física láser siguen siendo los mismos, esta tecnología se usa a menudo en tres formas: láseres Nd:YAG, CO2 y fibra.

Usos Comunes del Corte Láser

• Corte de chapa es una técnica común para cortar placas y láminas de diferentes materiales.
• Grabado: Añade elegantes marcas en madera o números de serie en casi cualquier material.
• Soldadura Láser: Usando un haz láser, metales o termoplásticos pueden unirse con precisión.
• Corte de Tubos: Este método corta perfiles intrincados en piezas huecas usando un eje rotativo.

Diagrama

Tipos de Corte Láser

Tres tipos de láseres se usan a menudo en aplicaciones de corte. En contraste con láseres de estado sólido de fibra y Nd, los láseres CO2 usan CO2 junto con varios gases inertes como medio láser. Un cristal sirve como medio láser en láseres YAG. Estos diversos láseres funcionan esencialmente con la misma premisa.

Láseres Nd:YAG / Nd:YVO

Un láser Nd:YAG usa un cristal de granate de aluminio-itrio dopado con neodimio (Nd) (Y₃Al₅O₁₂). Algunos iones de itrio (+-1%) son sustituidos por iones Nd³⁺ debido al dopaje.

Dos espejos, uno totalmente reflectante y uno semi-reflectante, se posicionan entre este cristal. Un conjunto de diodos láser o un tubo de flash de xenón/kriptón sirve como fuente de fotones de bombeo.

La fuente de bombeo en cristales Nd:YAG proporciona fotones que elevan el nivel de energía de los iones de neodimio. Tras ser reflejados entre los espejos, los iones decaen emitiendo una serie de fotones que se combinan para formar un haz láser coherente.

Una lente en la cabeza de corte concentra el haz coherente de alta intensidad, con frecuencia de 1064 nm, tras ser dirigido por espejos.

Cristales de vanadato dopados con neodimio (YVO₄) se usan en láseres Nd:YVO, que funcionan similar a Nd:YAG. Los láseres Nd:YVO, sin embargo, pueden producir más pulsos por segundo, tienen mejor estabilidad de potencia y emiten menos calor.

Los láseres Nd:YAG son perfectos para marcado y grabado porque ofrecen mayor densidad de potencia y mejor calidad de haz que los de fibra. Los láseres Nd:YAG, por otro lado, tienen eficiencias energéticas de un dígito y costes operativos significativamente mayores.

Láseres de Fibra

Un cable de fibra óptica dopado sirve como medio láser en láseres de fibra. Fotones se bombean en un extremo de un filamento de fibra óptica de núcleo de cuarzo o silicato de boro para crear un haz láser de fibra.

Estos fotones siguen el filamento hasta llegar a la región dopada con elemento de tierras raras. Neodimio, itrio, erbio o tulio son elementos típicos.

Cuando son estimulados por los fotones, cada uno de estos elementos de tierras raras generará un láser con una longitud de onda distinta. Los reticulados de Bragg de fibra se usan luego para amplificar la luz.

Similar a los espejos reflectantes y semi-reflectantes usados en láseres Nd:YAG y CO2, estos reticulados reflejan la luz de ida y vuelta, produciendo una cascada de fotones.

La luz puede pasar por el reticulado como haz coherente de alta intensidad una vez que la intensidad supera un umbral particular. Similar a otros láseres, un láser de fibra usa gas para facilitar el corte o expulsar material fundido del camino del haz.

Las longitudes de onda típicamente más cortas de los láseres de fibra resultan en mayor absorción, haciéndolos ideales para materiales reflectantes y produciendo menos calor durante el corte.

Por ejemplo, una cabeza de corte de fibra puede conectarse fácilmente a un brazo robot de 6 ejes debido a la flexibilidad del cable de fibra, eliminando la necesidad de numerosos espejos para dirigir el láser, necesario para láser CO₂ o Nd:YAG.

La eficiencia eléctrica de los láseres de fibra es mejor que la de láseres CO₂. Por esta razón, materiales reflectantes y que absorben calor eficazmente, como cobre u oro, son ideales para cortar con láseres de fibra.

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Láseres CO₂

Los componentes de un láser CO₂ (dióxido de carbono) son un tubo lleno de CO₂, helio y nitrógeno. Helio y nitrógeno se añaden para mejorar la eficiencia. El nitrógeno sirve como reserva energética a corto plazo que puede transferirse a la molécula de CO₂ al liberar fotones.

En cambio, una vez que la molécula de CO₂ libera un fotón, el helio usa transferencia de energía cinética para drenar energía residual, permitiéndole absorber energía de la molécula de nitrógeno.

El tubo tiene un espejo totalmente reflectante en un extremo. Hay solo reflexión parcial en el espejo del extremo opuesto. El gas del tubo se ioniza por un campo eléctrico potente que excita los electrones de las moléculas de CO₂ a un estado de energía superior, produciendo un fotón y luz.

El estado excitado de un átomo libera un fotón cuando un fotón pasa cerca. Luego, una vez que se han reunido suficientes fotones para fluir a través del espejo semi-reflectante, estos rebotan entre los dos espejos.

El tubo se refrigera con gas o líquido a baja temperatura porque mantener baja temperatura dentro es esencial para máxima eficiencia. En algunos sistemas, el gas se recicla para reducir costes operativos.

Los láseres CO₂ son buenos láseres polivalentes con longitud de onda de 10600 nm que pueden cortar chapas y placas metálicas así como variedad de otros materiales. La alta absorción de calor y materiales altamente reflectantes, sin embargo, son difíciles para láseres CO₂.

Proceso de Corte Láser

Normalmente, una buena lente se usa para concentrar el haz láser en el área de trabajo. El tamaño del punto concentrado está directamente relacionado con la calidad del haz. Típicamente, la sección más estrecha del haz concentrado tiene ancho menor a 0,0125 pulgadas (0,32 mm).

Anchos de corte de tan solo 0,004 pulgadas (0,10 mm) son alcanzables, dependiendo del espesor del material. Cada corte comienza con una perforación para que la hoja pueda empezar desde algún lugar distinto al borde.

Un haz láser pulsado de alta potencia se usa a menudo para perforar, lo que toma 5 a 15 segundos para materiales como acero inoxidable de 0,5 pulgadas (13 mm) de espesor.

Los haces de luz coherente paralela de la fuente láser típicamente tienen diámetro de 0,06 a 0,08 pulgadas (1,5 a 2,0 mm). Para generar un haz láser extremadamente potente, este haz se concentra y realza a menudo por una lente o espejo a un área muy pequeña de alrededor de 0,001 pulgadas (0,025 mm).

La dirección de la polarización del haz debe ajustarse al rodear el borde de una pieza contorneada para proporcionar el acabado más limpio posible durante el corte de contorno. La distancia focal para corte de chapa es típicamente 1,5 a 3 pulgadas (38 a 76 mm).

Comparado con corte mecánico, el corte láser tiene ventajas de sujeción más simple y menos contaminación de la pieza ya que no hay filo de corte que pueda contaminar el material.

Como el haz láser no se desgasta durante el proceso, la precisión puede mejorar. Además, como los sistemas láser solo tienen una pequeña zona afectada por calor, hay menos riesgo de distorsionar el material cortado.

Además, ciertos materiales son imposibles o extremadamente difíciles de cortar con métodos convencionales. Aunque la mayoría de láseres industriales no pueden cortar metal grueso que el plasma sí puede, el corte láser para metales tiene la ventaja de ser más preciso y consumir menos energía al cortar chapa.

Aunque su coste capital es significativamente mayor que el de máquinas de corte por plasma que cortan materiales gruesos como placa de acero, máquinas láser más nuevas operando a mayor potencia (6000 vatios, comparado con 1500 vatios de máquinas tempranas) se acercan a las de plasma en capacidad de cortar materiales gruesos.

Materiales Comunes de Corte Láser

Una variedad de materiales pueden ser cortados con cortadores láser. A continuación, una lista de algunos de los materiales más a menudo cortados:

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Fieltro

El fieltro es una tela no tejida barata que es difícil de cortar a mano pero se corta fácilmente con cortador láser. Alfombrillas, parches decorativos y ropa pueden hacerse de fieltro. Se aconseja usar fieltro de lana 95-100% ya que el fieltro sintético, a menudo de acrílico, corta muy mal.

Cuero

Carteras, cinturones y zapatos son de cuero, material natural duradero. El cuero tiene alto valor percibido y se corta y graba láser fácilmente, especialmente para objetos personalizados.

Cuero falso es término para cuero sintético. Algunos de estos, sin embargo, podrían incluir PVC, que al cortar láser libera humos corrosivos.

Corcho

La corteza del alcornoque da corcho, material de madera blanda usado para tableros de corcho, bases antideslizantes de posavasos y plantillas. Es bastante fácil cortar y grabar corcho láser.

Tablero Duro (Hardboard)

El tablero duro es una opción más dura y duradera que MDF (tablero de fibra de densidad media), siendo más denso. Un adhesivo une las fibras de madera.

Este adhesivo se vaporiza al cortar. Emite gases nocivos que requieren sistema de extracción. Como el tablero duro es homogéneo, el corte y grabado son fiables.

Madera

Láseres CO2 con potencia relativamente modesta (150-800 W) pueden cortar madera fácilmente. Sin embargo, como el corte láser de madera produce humo, un sistema de extracción es esencial.

Debido a su estructura de grano, maderas naturales pueden tener acabados desiguales al cortar o grabar. Es posible cortar láser tanto maderas duras como blandas.

Latón

Cobre, zinc y algunos otros metales de aleación secundaria forman latón. Tiene fricción mínima, conductividad eléctrica y resistencia a corrosión. Aplicaciones eléctricas y bujes de baja fricción son usos comunes.

Aluminio

Una variedad de aleaciones de aluminio con diversos elementos y usos se llaman colectivamente aluminio. Por su favorable relación resistencia-peso, el aluminio se usa a menudo en aplicaciones aeroespaciales.

Al fundirse, el aluminio es reflectante, lo que dificulta su corte. Aunque puede cortarse con láser CO2, el láser de fibra es la herramienta más eficaz para cortar aluminio.

Acero Inoxidable

Cromo y/o níquel son los principales elementos de aleación en acero inoxidable, categorizado como aleación de acero. Una gran variedad de sustancias no pueden dañar aceros inoxidables. Cualquier método de corte láser puede cortar acero inoxidable fácilmente. Pero para cortar acero inoxidable, los láseres de fibra funcionan mejor.

Acero Dulce o al Carbono

Una amplia variedad de aceros con concentraciones variables de carbono como principal elemento de aleación se llaman "acero al carbono". Otro tipo con contenido de carbono inferior a 0,3% es acero dulce. El acero se vuelve más fuerte con más carbono. Láseres de alta potencia pueden cortar placas de 20 a 25 mm de espesor.

PMMA o Acrílico

Aunque el acrílico crea un borde de corte limpio, los humos volátiles que emite requieren sistema de extracción. Para firmar el borde cortado, la presión de gas debe ajustarse para soplar vapores y enfriarlo.

Cuando el borde aún está fundido, demasiada presión de aire lo doblará. El acrílico a veces se refiere por su nombre químico, polimetil metacrilato, o nombre comercial, Perspex®.

Cómo Funciona el Corte Láser

Un láser de alta potencia se usa en corte láser, y el haz o material es guiado por ópticas y control numérico computarizado (CNC). La técnica suele seguir un CNC o G-code del diseño a cortar en el material usando un sistema de control de movimiento.

El haz láser concentrado produce un borde con acabado superficial superior al quemar, fundir, vaporizar o ser expulsado por un chorro de gas. Descargas eléctricas o lámparas dentro de un recipiente cerrado estimulan los materiales láser para producir el haz.

Un espejo parcial refleja el material láser dentro, amplificándolo hasta que su energía es suficiente para salir como flujo de luz monocromática coherente. Espejos o fibras ópticas enfocan esta luz en el área de trabajo guiando el haz a través de una lente que lo realza.

El diámetro de un haz láser en su punto más estrecho es normalmente menor a 0,0125 pulgadas (0,32 mm), sin embargo, dependiendo del espesor, anchos de corte tan finos como 0,004 pulgadas (0,10 mm) son factibles.

Un procedimiento de perforación se usa cuando el proceso debe comenzar en algún lugar distinto al borde del material. En este método, un láser pulsado de alta intensidad crea un orificio; por ejemplo, toma 5 a 15 segundos quemar una chapa de acero inoxidable de 0,5 pulgadas (13 mm).

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Ventajas del Corte Láser

Un método industrial popular es el corte láser. Algunos de los principales beneficios que contribuyen al uso generalizado de cortadores láser en fabricación se listan a continuación:

1. Materiales Versátiles: Casi cualquier material puede ser procesado por cortadores láser. El material, la potencia láser y la tecnología láser impactan significativamente el espesor máximo que un cortador láser puede cortar.
2. Post-procesado Restringido: Las piezas cortadas láser no necesitan mucho post-procesado. Los bordes podrían necesitar desbarbado en algunos casos, como al cortar metal, porque puede haber escoria adherida.
3. Cortes Estrechos: Dependiendo del material y espesor, los láseres pueden enfocarse en haces extremadamente estrechos, permitiendo anchos de corte muy pequeños (tan solo 0,1 mm).
4. Alta Precisión: A diferencia de otras tecnologías como fresadoras CNC, los cortadores láser no ponen tensión en sus cabezales. Por tanto, son increíblemente exactos y precisos.
5. Alta Velocidad: Perfiles 2D pueden ser tallados rápidamente por cortadores láser. Altas velocidades pueden lograrse cortando materiales flexibles como plástico.
6. Automatizado: Mucha automatización entra en cortadores láser. Algunas máquinas incluso pueden descargar piezas y colocar materias primas en la cama de corte con poca ayuda humana.
7. Costes de Utillaje: Los cortadores láser no usan variedad de herramientas, a diferencia del mecanizado CNC. Como el cabezal no toca la materia prima, no hay desgaste por fricción.
8. Sin Sujeción: Los cortadores láser no necesitan mordazas u otras herramientas de sujeción. Simplemente coloque el material en la cama; no se moverá durante el corte.

Desventajas del Corte Láser

Incluso con todos sus beneficios, el corte láser aún tiene varios inconvenientes, detallados a continuación:

1. Alto Consumo Eléctrico: El corte láser, particularmente tecnología CO2, usa mucha electricidad.
2. Espesor Limitado: El espesor que los cortadores láser pueden cortar está limitado por la mecánica de dirigir un haz a un punto de alta intensidad. Típicamente se restringen a materiales de placa y lámina con espesor máximo de 25 mm. Aunque material más grueso puede cortarse, las empresas de fabricación ordinarias no lo hacen a menudo.
3. Humos Peligrosos: Al cortar ciertos materiales como plástico o madera, pueden producirse humos de combustión peligrosos, que deben liberarse.
4. Mantenimiento Costoso: El tubo láser es un artículo de desgaste que necesita actualización, a menudo a alto coste, en algunas tecnologías (como CO2).
5. Alto Coste Inicial: Los cortadores láser requieren gran desembolso inicial. Tecnología más barata, como corte por plasma o llama, podría ser más apropiada en algunos casos.

Preguntas Frecuentes

¿Qué significa corte láser?

El método conocido como corte láser crea un borde de corte vaporizando materiales con láser. Aunque se usó originalmente para producción industrial, escuelas, pequeñas empresas, arquitectos y aficionados lo usan cada vez más.

¿Cuánto cuesta cortar láser?

El coste de tiempo de producción para grabado y corte láser es £1 por minuto. Un servicio de 30 minutos costará £30, incluyendo materiales y tarifas de configuración. Si toma una hora, el tiempo sería £60. Dependiendo de la complejidad e intensidad, puede haber descuento para trabajos mayores.

¿Cuál es el método de corte láser?

En el proceso, un haz láser se enfoca a un punto pequeño con suficiente densidad de potencia para crear un corte, generalmente usando lente (y ocasionalmente espejo cóncavo). La distancia entre la lente y el punto enfocado, o longitud focal, define la lente.

¿Para qué sirve el corte láser?

Al transmitirse el calor sobre la cama para cortar secciones de la lámina, funde y a menudo vaporiza el material. Las piezas se retiran y pueden procesarse más. Entre los muchos usos: grabado, corte de tubos, soldadura láser, corte de chapa y placas.

¿Por qué el láser es tan caro?

Estos elementos incluyen coste de mantenimiento y reparaciones, coste de certificación y formación de técnicos, y gastos generales de operar un spa médico o clínica. 18 marzo 2023.