Corte por láser explicado:técnicas, tipos y aplicaciones

Existen varios usos para el corte por láser, una técnica térmica, en la producción industrial. Incluso las láminas de metal con formas más complejas pueden grabarse y cortarse rápidamente mediante dispositivos de corte por láser, lo que proporciona resultados superiores.

Una cortadora láser es un dispositivo que crea componentes bidimensionales para uso industrial y aficionado cortando una variedad de placas o materiales en láminas utilizando un rayo láser enfocado de alta energía. El acero, la madera y algunos polímeros son materiales comunes.

Además de delinear las distinciones entre los diferentes métodos de corte por láser. Bueno, en esta lectura, exploraremos qué es el corte por láser, sus usos, tipos, materiales y cómo funciona. también hablaremos de sus ventajas y desventajas.

¡Empecemos!

¡Aprenda sobre el oxicorte con esta guía detallada!

El corte por láser es el método de corte de materiales utilizando un láser de alta potencia guiado por control numérico por computadora (CNC) a través de óptica.

Este método se utiliza comúnmente para cortar materiales, incluidos metales, plásticos, cerámica, madera, textiles y papel, en una variedad de sectores, incluidos el automotriz, aeroespacial, electrónico y médico.

Con la ayuda de un chorro de gas coaxial, se utiliza un rayo láser concentrado en el corte por láser para fundir el material en un lugar específico y producir un corte. El gas no tiene influencia sobre el rayo láser en sí, pero puede quemar, derretir o evaporar objetos de manera eficiente.

Cualquier resto que quede se puede eliminar, garantizando un borde final de alta calidad. El grabado y la soldadura también se pueden realizar mediante corte por láser.

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

La exactitud, la precisión, la menor contaminación y una sujeción más sencilla son algunos de los beneficios del corte por láser. Específicamente, los láseres de fibra son famosos por sus excepcionales capacidades de corte de precisión.

La capacidad de los láseres de fibra para proporcionar una calidad de haz constante en distancias extendidas es una de sus principales ventajas; esto permite un corte uniforme en una variedad de materiales y espesores. Esta uniformidad reduce la necesidad de procesamiento adicional y mejora la calidad de los bordes.

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" o "Láser" es una abreviatura que se refiere a la física de producir luz láser. Aunque los principios básicos de la física del láser siguen siendo los mismos, esta tecnología se utiliza a menudo de tres maneras:láseres Nd:YAG, CO2 y fibra.

Usos comunes del corte por láser

• El corte de chapa es una técnica común para cortar placas y láminas de diferentes materiales.
• Grabado:añade elegantes marcas de madera o números de serie a casi cualquier material.
• Soldadura láser:mediante un rayo láser se pueden unir con precisión metales o termoplásticos.
• Corte de tubos:este método corta perfiles intrincados en piezas huecas utilizando un eje giratorio.

Diagrama

Tipos de corte por láser

A menudo se utilizan tres tipos diferentes de láseres en aplicaciones de corte por láser. A diferencia de la fibra de estado sólido y el Nd, los láseres de CO2 utilizan CO2 junto con diversos gases inertes como medio láser. Un cristal sirve como medio láser en los láseres YAG. Todos estos distintos láseres funcionan esencialmente según la misma premisa.

Láseres Nd:YAG/Nd:YVO

En un láser de Nd:YAG se utiliza un cristal de granate de itrio y aluminio dopado con neodimio (Nd) (Y₃Al₅O₁₂). Algunos iones de itrio (+-1%) se reemplazan por iones Nd³⁺ debido al dopaje.

Entre este cristal se encuentran dos espejos, uno completamente reflectante y otro semirreflectante. Un conjunto de diodos láser o un tubo de flash de xenón/criptón sirve como fuente de bombeo de fotones.

La fuente de bombeo de los cristales de Nd:YAG proporciona fotones que elevan el nivel de energía de los iones de neodimio. Después de reflejarse entre los espejos, los iones se desintegran para emitir una serie de fotones que se combinan para formar un rayo láser coherente.

Una lente en el cabezal de corte se utiliza para concentrar el haz de luz coherente y de alta intensidad, que tiene una frecuencia de 1064 nm, después de haber sido dirigido hacia él mediante espejos.

Los cristales de vanadato dopados con neodimio (YVO₄) se utilizan en los láseres Nd:YVO, que funcionan de manera similar a los láseres Nd:YAG. Los láseres Nd:YVO, por otro lado, pueden producir más pulsos por segundo, tener una mejor estabilidad de potencia y emitir menos calor.

Los láseres Nd:YAG son perfectos para marcar y grabar porque ofrecen una mayor densidad de potencia y una mejor calidad del haz que los láseres de fibra. Los láseres Nd:YAG, por otro lado, tienen eficiencias energéticas de un solo dígito y costos operativos significativamente más altos.

Láseres de fibra

Un cable de fibra óptica dopado sirve como medio láser en los láseres de fibra. Los fotones se bombean hacia un extremo de un filamento de fibra óptica con núcleo de vidrio de silicato de boro o cuarzo para crear un rayo láser de fibra.

Estos fotones siguen el filamento de fibra óptica hasta que llegan a la región dosificada con elementos de tierras raras. El neodimio, el itrio, el erbio o el tulio son ejemplos de 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. Luego se utilizan rejillas de fibra de Bragg para aumentar la luz.

De manera similar a los espejos reflectantes y semirreflectantes utilizados en los láseres Nd:YAG y CO2, estas rejillas reflejan la luz hacia adelante y hacia atrás, produciendo una cascada de fotones.

La luz puede atravesar la rejilla como un haz de luz coherente de alta intensidad una vez que la intensidad excede un umbral particular. Al igual que otros láseres, un láser de fibra utiliza gas para ayudar a facilitar el corte o para eliminar el material fundido del camino del rayo láser.

Las longitudes de onda típicamente más cortas de los láseres de fibra dan como resultado una mayor absorción, lo que los hace ideales para reflejar materiales y producir menos calor durante el corte.

Por ejemplo, un cabezal de corte de fibra se puede conectar fácilmente a un brazo robótico de 6 ejes gracias a la flexibilidad del cable de fibra óptica, lo que elimina la necesidad de numerosos espejos para dirigir el láser, algo necesario para un láser de CO₂ o Nd:YAG.

La eficiencia eléctrica de los láseres de fibra es mejor que la de los láseres de CO₂. Por este motivo, los materiales reflectantes y que absorben eficazmente el calor, como el cobre o el oro, son ideales para cortar con láser de fibra.

¡Aprenda sobre el mecanizado con rayo láser con esta guía detallada!

Láseres de CO₂

Los componentes de un láser de CO₂ (dióxido de carbono) son un tubo lleno de CO₂, helio y nitrógeno gaseoso. Se añaden helio y nitrógeno para aumentar la eficiencia del láser. El nitrógeno sirve como reserva de energía a corto plazo que puede transferirse a la molécula de CO₂ tras la liberación de fotones.

Por el contrario, una vez que la molécula de CO₂ libera un fotón, el helio utiliza la transferencia de energía cinética para drenar cualquier energía residual, lo que le permite absorber energía de la molécula de nitrógeno.

El tubo tiene un espejo totalmente reflectante en un extremo. Sólo hay un reflejo parcial en el espejo del extremo opuesto. El gas del tubo es ionizado por un potente campo eléctrico que excita los electrones de las moléculas de CO₂ a un estado de mayor energía, produciendo un fotón y luz.

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

El tubo se enfría utilizando un gas o líquido a baja temperatura porque mantener una temperatura baja dentro del tubo es esencial para una máxima eficiencia. En ciertos sistemas, el gas se recicla para reducir los gastos operativos.

Los láseres de CO₂ son buenos láseres multiuso con una longitud de onda de 10600 nm que pueden cortar láminas y placas de metal, así como una variedad de otros materiales. Sin embargo, los láseres de CO₂ tienen dificultades para trabajar con una alta absorción de calor y materiales altamente reflectantes.

Proceso de corte por láser

Por lo general, se utiliza una buena lente para concentrar el rayo láser en el área de trabajo. El tamaño del punto concentrado está directamente relacionado con la calidad del haz. Normalmente, la sección más estrecha del haz concentrado tiene un ancho de menos de 0,0125 pulgadas (0,32 mm).

Se pueden lograr anchos de ranura de tan sólo 0,004 pulgadas (0,10 mm), dependiendo del espesor del material. Cada corte comienza con un pinchazo para que la hoja pueda empezar desde algún otro lugar que no sea el borde.

A menudo se utiliza un rayo láser pulsado de alta potencia para perforar, lo que tarda de 5 a 15 segundos en materiales como el acero inoxidable de 13 mm (0,5 pulgadas) de espesor.

Los haces de luz coherentes paralelos de la fuente láser suelen tener un diámetro de 0,06 a 0,08 pulgadas (1,5 a 2,0 mm). Para generar un rayo láser extremadamente potente, este rayo a menudo se concentra y mejora mediante una lente o espejo en un área muy pequeña de alrededor de 0,001 pulgadas (0,025 mm).

La dirección de la polarización del haz se debe ajustar a medida que rodea el borde de una pieza de trabajo contorneada para proporcionar el acabado más limpio posible durante el corte del contorno. La longitud de enfoque para el corte de chapa metálica suele ser de 1,5 a 3 pulgadas (38 a 76 mm).

En comparación con el corte mecánico, el corte por láser tiene las ventajas de una sujeción más sencilla del trabajo y una menor contaminación de la pieza de trabajo, ya que no hay ningún filo que pueda contaminar el material.

Dado que el rayo láser no se desgasta durante el procedimiento, se puede mejorar la precisión. Además, debido a que los sistemas láser solo tienen una pequeña zona afectada por el calor, existe menos peligro de distorsionar el material que se corta.

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

Aunque su costo de capital es significativamente mayor que el de las máquinas de corte por plasma que pueden cortar materiales gruesos como placas de acero, las máquinas láser más nuevas que operan a mayor potencia (6000 vatios, en comparación con los 1500 vatios de las primeras máquinas de corte por láser) se están acercando a las máquinas de plasma en su capacidad para cortar materiales gruesos.

Materiales comunes de corte por láser

Se pueden cortar una variedad de materiales con cortadoras láser. La siguiente es una lista de algunos de los materiales cortados con más frecuencia:

¡Aprenda sobre el mecanizado no tradicional con esta guía detallada!

Fieltro

El fieltro es una tela no tejida económica que resulta difícil de cortar a mano, pero que se corta fácilmente con un cortador láser. Los manteles individuales, los parches ornamentales y la ropa pueden estar hechos de fieltro. Se recomienda utilizar entre un 95 % y un 100 % de fieltro de lana, ya que el fieltro sintético, que suele estar compuesto de acrílico, corta muy mal.

Cuero

Las carteras, cinturones y zapatos están hechos de cuero, un material natural y duradero. El cuero tiene un alto valor percibido y se corta y graba fácilmente con láser, especialmente cuando se utiliza para fabricar objetos personalizados cortados con láser.

Cuero falso es un término utilizado para describir el cuero falso. Mientras tanto, algunos de estos podrían incluir PVC, que cuando se corta con láser libera vapores corrosivos.

corcho

De la corteza del alcornoque se obtiene el corcho, una sustancia blanda de madera dura que se utiliza frecuentemente para tableros de anuncios, bases de posavasos antideslizantes y plantillas de zapatos. Es bastante fácil cortar y grabar corcho con láser.

Tableros duros

Los tableros duros son una opción más resistente y duradera que el MDF (tablero de fibra de densidad media), aunque son más densos. Se utiliza un pegamento para unir las fibras de la madera.

Este adhesivo se vaporiza al cortar. Esto emite gases nocivos que requieren el uso de un sistema de escape. Debido a que los tableros duros son homogéneos, el corte y el grabado son confiables.

Madera

Los láseres de CO2 con una potencia relativamente modesta (150 a 800 W) pueden cortar madera fácilmente. Sin embargo, dado que el corte de madera con láser produce humo, un sistema de escape es esencial.

Debido a su estructura de vetas, las maderas naturales pueden tener acabados desiguales cuando se cortan o graban. Es posible cortar con láser tanto maderas duras como blandas.

Latón

El cobre, el zinc y algunos otros metales de aleación secundaria se combinan para formar latón. El latón tiene mínima fricción, conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión. Las aplicaciones eléctricas y los casquillos de baja fricción son usos comunes.

Aluminio

Una variedad de aleaciones de aluminio con diversos componentes y usos de aleación se denominan colectivamente aluminio. Debido a su favorable relación resistencia-peso, el aluminio se utiliza con frecuencia en aplicaciones aeronáuticas.

Cuando se funde, el aluminio es reflectante, lo que dificulta su corte. Aunque el aluminio se puede cortar con un láser de CO2, un láser de fibra es la herramienta más eficaz para cortar aluminio.

Acero inoxidable

El cromo y/o el níquel son los principales elementos de aleación que se encuentran en el acero inoxidable, que se clasifica como una aleación de acero. Una gran variedad de sustancias no pueden dañar el acero inoxidable. Cualquier método de corte por láser puede cortar fácilmente acero inoxidable. Pero para cortar acero inoxidable, los láseres de fibra funcionan mejor.

Acero dulce o acero al carbono

Una amplia variedad de aceros con diferentes concentraciones de carbono como ingrediente principal de aleación se denominan "acero al carbono". Otro tipo de acero al carbono con un contenido de carbono inferior al 0,3% es el acero dulce. El acero se vuelve más fuerte cuanto más carbono tiene. Se pueden cortar placas de hasta 20 a 25 mm de espesor mediante láseres de alta potencia.

PMMA o acrílico

Aunque el acrílico crea un filo limpio, los vapores volátiles que emite requieren un sistema de escape. Para reafirmar el borde cortado, es necesario ajustar la presión del gas para eliminar los vapores y enfriarlo.

Cuando el borde cortado todavía está fundido, demasiada presión de aire hará que se doble. A veces se hace referencia al acrílico por su nombre químico, polimetilmetacrilato, o por su nombre comercial, Perspex®.

¿Cómo funciona el corte por láser?

En el corte por láser se utiliza un láser de alta potencia y el haz o material se guía mediante óptica y control numérico por computadora (CNC). La técnica suele seguir un código CNC o G del diseño que se va a cortar en el material mediante un sistema de control de movimiento.

El rayo láser concentrado produce un borde con un acabado superficial superior al quemarse, derretirse, vaporizarse o ser expulsado por un chorro de gas. Las descargas eléctricas o las lámparas dentro de un recipiente cerrado estimulan los materiales láser para producir el rayo láser.

Se utiliza un espejo parcial para reflejar el material láser en su interior, amplificándolo hasta que su energía sea suficiente para permitirle salir como una corriente de luz monocromática coherente. Espejos o fibra óptica enfocan esta luz en la zona de trabajo guiando el haz a través de una lente que la potencia.

El diámetro de un rayo láser en su punto más estrecho normalmente es inferior a 0,0125 pulgadas (0,32 mm); sin embargo, dependiendo del grosor del material, son factibles anchos de corte de hasta 0,004 pulgadas (0,10 mm).

Se utiliza un procedimiento de perforación cuando el proceso de corte por láser debe comenzar en algún lugar distinto al borde del material. En este método, un láser pulsado de alta intensidad crea un agujero en el material; por ejemplo, se necesitan de 5 a 15 segundos para quemar una lámina de acero inoxidable de 13 mm (0,5 pulgadas) de espesor.

¡Aprenda sobre la máquina CNC con esta guía detallada!

Ventajas del corte por láser

Un método industrial popular es el corte por láser. A continuación se enumeran algunos de los principales beneficios que contribuyen al uso generalizado de las cortadoras láser en la fabricación:

1. Materiales versátiles:casi cualquier material puede procesarse con cortadoras láser. El material que se corta, la potencia del láser y la tecnología láser tienen un impacto significativo en el espesor máximo del material que una cortadora láser puede cortar.
2. Postprocesamiento restringido:las piezas cortadas con láser no necesitan mucho posprocesamiento. Sin embargo, es posible que sea necesario desbarbar los bordes cortados en algunas situaciones, como al cortar metal, porque puede haber algo de escoria adherida al borde.
3. Cortes estrechos:dependiendo del material y el grosor, los láseres pueden enfocarse en haces extremadamente estrechos, lo que permite anchos de corte extremadamente pequeños (tan solo 0,1 mm).
4. Alta precisión:a diferencia de otras tecnologías, como las fresadoras CNC, las cortadoras láser no ejercen ninguna presión sobre sus cabezas. Por lo tanto, las cortadoras láser son increíblemente exactas y precisas.
5. Alta velocidad:los perfiles 2D se pueden tallar rápidamente con cortadoras láser. Se pueden lograr altas velocidades al cortar materiales flexibles como el plástico.
6. Automatizado:Las cortadoras láser utilizan mucha automatización. Algunas máquinas pueden incluso descargar piezas y colocar materias primas en la mesa de corte con poca ayuda humana.
7. Costos de herramientas:las cortadoras láser no utilizan una variedad de herramientas, a diferencia del mecanizado CNC. Dado que el cabezal de corte láser no entra en contacto con la materia prima, no se produce desgaste de la herramienta por fricción.
8. Sin sujeción:las cortadoras láser no necesitan abrazaderas ni otras herramientas de sujeción para cortar. Simplemente coloque el material sobre la plataforma de corte; no se moverá mientras se corta.

Desventajas del corte por láser

Incluso con todos sus beneficios, el corte por láser todavía tiene varios inconvenientes, que se detallan a continuación:

1. Alto consumo de electricidad:el corte por láser, especialmente la tecnología de corte por láser de CO2, utiliza mucha electricidad.
2. Espesor limitado:el espesor que las cortadoras láser pueden cortar está limitado por la mecánica de dirigir un rayo láser hacia un punto de alta intensidad. Por lo general, están restringidos a materiales que son placas y láminas y tienen un espesor máximo de 25 mm. Aunque se puede cortar material más grueso, las empresas de fabricación ordinarias no suelen lograrlo.
3. Humos peligrosos:al cortar ciertos materiales, como plástico o madera, se pueden producir humos de combustión peligrosos que deben liberarse.
4. Mantenimiento costoso:el tubo láser es un elemento desgastado que debe actualizarse, a menudo a un costo elevado, en algunas tecnologías láser (como el CO2).
5. Alto costo inicial:las cortadoras láser requieren un gran desembolso de capital inicial. En algunas circunstancias, una tecnología más barata, como los cortadores de plasma o de llama, podría ser más apropiada.

Preguntas frecuentes

¿Qué se entiende por corte por láser?

El método conocido como corte por láser crea un borde cortado vaporizando materiales con un láser. Aunque originalmente se utilizó para la producción industrial, las escuelas, las pequeñas empresas, los arquitectos y los aficionados lo utilizan cada vez más.

¿Cuánto cuesta el corte con láser?

El coste del tiempo de producción para el grabado y el corte por láser es de £1 por minuto. Un servicio de 30 minutos costará £30, incluidos los suministros y los gastos de instalación de la obra de arte. El tiempo de producción sería de £60 si tomara una hora. Dependiendo de la complejidad y el nivel de intensidad del trabajo, es posible que haya un descuento disponible para tareas más grandes.

¿Cuál es el método de corte por láser?

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

¿Para qué sirve el corte por láser?

A medida que el calor se transmite sobre el lecho para cortar secciones de la lámina de material, se funde y frecuentemente vaporiza el material. Las piezas se sacan y se pueden procesar más. Entre los muchos usos de las cortadoras láser se incluyen el grabado, el corte de tubos, la soldadura láser y el corte de láminas y placas de metal.

¿Por qué el láser es tan caro?

Estos elementos incluyen el costo de mantenimiento y reparación de la máquina, el costo de la certificación y capacitación de los técnicos y los gastos generales relacionados con la operación de un spa o clínica médica. 18 de marzo de 2023