corte por laser

CORTE POR LASER

FUNCIONAMIENTO BASICO

• El corte laser funciona por el orientado computarizado de una salida laser de alta potencia hacia el material a cortar. Este puede derretirse, quemarse, vaporizarse o ser expulsado por un flujo de gas dejando una cavidad (corte) de terminación superficial muy buena

TIPOS DE LASERES

TIPO APLICACION

Dióxido de Carbono CO2 Perforado, cortado, grabado, soldadura, medicina

Neodimio Nd Perforado

Nd-YAG Perforado, grabado, cortado

MATERIALES QUE SE PUEDEN TRABAJAR CON LASER

METALES CERAMICOS DIELECTRICOS POLIMEROS OTROS

•Al•Fe•MoCu•Ti•Pt•Au•Ni•Pa•Mn•Ta•Cr•Ag•Wo•ZnO

•Alumina •Silicon nitrides•Silicon carbides•lithium niobates•Zirconia

•Glasses•borosilicate (Pyrex)•Silica•Crown•Doped glasses•SiO2•Synthetic diamond•Sapphire

•Polyimides •Polycarbonates•polyesters •polyethylenes •Polypropylenes•styrenics •Vinyls•acrylics •Polyurethanes•barrier resins •epoxy resins •Silicone resins•elastomes •Biopolymers

•sol-gel•carbon composites•biomaterials

VENTAJAS

• No hay desgaste• Grabado permanente• Muy preciso• Frente al punzonado clásico

permite mayores espesores y rapidez

• Frente al oxicorte y plasma el corte tiene una mejor terminación superficial

• Menor contaminación de la pieza• Menor probabilidad de alabear

el material. La zona calentada es muy pequeña

• Algunos materiales sólo pueden ser cortados por laser

DESVENTAJAS

• Probabilidad de rotura de material frágil por shock térmico

• Costo de la maquinaria• Energía requerida

FUNCIONAMIENTO FISICO Los electrones en los átomos en un material laser son

excitados por una lámpara tipo flash hacia un nivel de energía superior y permanecerán allí por un periodo de tiempo muy corto. Esta liberación de energía puede suceder de dos modos:

• Liberación espontanea: emiten fotones en direcciones aleatorias

• Liberación simulada: los fotones emitidos por liberación espontanea chocan contra otros en estado excitado y provocan que caigan de nivel de energía. Estos últimos fotones liberados son emitidos en una dirección, fase y longitud de onda idéntica a la de los fotones incidentes

Si la dirección de emisión es axial al material laser, los fotones emitidos viajan en un ida y vuelta en la cavidad óptica a través del material laser entre el espejo reflector total y el espejo reflector parcial amplificando su energía hasta que pasa a través del espejo reflector parcial.

CASO LASERES A GAS

Los láseres a gas consisten en un tubo hermético lleno de gas. La forma de excitar electrones ahora es aplicando un voltaje suficiente. La luz emitida en este tipo de láseres es comúnmente de onda continua y es orientada y enfocada con espejos o fibra óptica hacia el punto de trabajo.

LASER CO2

• Los láseres de dióxido de carbono en modo continuo tienen un gran poder y son fácilmente accesibles. También son muy eficaces; la ratio potencia de bombeo (el poder de excitación) vs potencia de salida alcanza el 20%.

• Los láseres de CO2 emiten en IR, su banda de longitud de onda principal está comprendida entre 9,4 y 10,6 μm.

El medio amplificador es un gas - refrigerado por un circuito de agua en el caso de grandes potencias - en el que se produce una descarga eléctrica. El gas usado en el tubo de descarga está formado por:

• Dióxido de carbono CO2 : 10 a 20%

• Nitrógeno N2: 10 a 20%

• Hidrógeno H2 y / o Xenón (Xe), un pequeño porcentaje, por lo general en un tubo cerrado

• Helio (He): completa

Las proporciones varían en función del tipo o tipos de láseres que se requieren.

La inversión de población en el láser se realiza según la siguiente secuencia:

• la colisión con un electrón induce un estado excitado vibratorio en el nitrógeno. Como el nitrógeno es una molécula homonuclear no pierde su energía por la emisión de un fotón y por lo tanto sus niveles de excitación vibratoria son metaestables y tienen un gran periodo de vida;

• la transferencia de la energía de colisión entre el nitrógeno y el dióxido de carbono induce una excitación vibratoria del dióxido de carbono con la suficiente energía para impulsar la inversión de población deseada para el funcionamiento del láser;

• las moléculas permanecen en un estado excitado inferior. El retorno a su estado fundamental se hace mediante las colisiones con los átomos de helio frío. Los átomos de helio excitado por el choque deben ser enfriado para mantener su capacidad de producir una inversión de población de las moléculas de dióxido de carbono. En los láseres de ampolla sellada, la refrigeración se realiza por intercambio de calor cuando los átomos de helio rebotan en la pared fría de la ampolla. En el caso de láser de flujo, un flujo continuo de CO2 y N 2 es excitada por la descarga y la mezcla de gas caliente es evacuada a continuación por una bomba.

CARACTERISTICAS DEL HAZ

• Los rayos provenientes de la fuente son de entre 1.6 a 12.7 mm de diámetro pero una vez enfocado este diámetro se reduce a 0.0254 mm. Para comenzar el corte se realiza una perforación mínima de modo que terminada la operación no se note donde fue hecha.

TIPOS DE CORTE

• Cortes por vaporización• Cortes por fusión• Corte reactivo

Corte por vaporización

• El haz enfocado calienta la superficie del material hasta el punto de ebullición y genera una marca. Esta marca lleva a un repentino incremento de la absorción de radiación provocando velozmente el cavado de un agujero. Mientras el agujero se profundiza y el material hierve, el vapor generado erosiona las paredes derretidas alargando el agujero.

Corte por fusión• Utiliza gas a alta presión para despedir el

material derretido del área de corte disminuyendo la potencia total requerida. Primero el material es calentado hasta el punto de fusión, luego un flujo de gas elimina el material derretido evitando la necesidad de aumentar aun más la temperatura del material para que se evacue en forma de vapor.

Corte reactivo

• Es como una antorcha de oxigeno pero con un haz de laser como fuente de ignición. Se utiliza para cortes de aceros duros con más de 1 mm de espesor.

LASERES DE PUNZADO• Este tipo de láseres proveen de

un haz muy potente en un periodo de tiempo muy corto por lo que son efectivos para procesos de perforado o cuando son requeridas velocidades de corte muy chicas.

• Los láseres de doble pulso se utilizan para mejorar la calidad del agujero. El primer pulso remueve el material de la superficie y el segundo previene que este material eliminado se adhiera a la pared del agujero.

LASERES DE GRABADO

• Requieren de menor potencia que los de corte y punzonado. Generalmente la maquinaria es mas pequeña.

TERMINACION SUPERFICIAL

• La rugosidad incrementa con el espesor de la lámina a cortar, pero decrece con la potencia del laser y la velocidad de corte.

Ej.: acero bajo en carbón con una potencia de laser de 800 w la rugosidad es de 10 micrómetros para un espesor de 1 mm, 20 micrómetros para 3 mm y 25 micrómetros para 6 mm.

TOLERANCIAS

• Este proceso logra valores de 0.0254 mm. La terminación superficial típica de este proceso se encuentra en un rango de 0.0032 a 0.006 mm.

• Los láseres actuales tienen una precisión de posicionamiento de 10 micrómetros y repetitividad de 5 micrómetros.

TIPOS DE MAQUINARIA

• Hay tres configuraciones típicas según la forma en que el haz es movido sobre el material a trabajar:

Moving materials Hybrid Flying Optics.

MOVING MATERIALS

• cabezal de cortado estacionario, se mueve la pieza

HYBRID

• la pieza se mueve en un solo eje (el más largo) y el cabezal en otro (el más corto)

FLYING OPTICS

• la pieza se encuentra fija y el cabezal es móvil. Este tipo es el más rápido en producir.

CABEZAL DEL FLYING OPTICS

FLYING OPTICS DE DOBLE PALLET

EFECTOS DEL LASER EN LAS PROPIEDADES DEL MATERIAL

PROPIEDAD DEL MATERIAL EFECTOS

Mecánicas Podría afectar la dureza de la pequeña zona incidida por el laser

Físicas Podrían cambiar los tamaños de grano

Químicas Depende del gas utilizado. Podría suceder una oxidación localizada

FACTORES QUE AFECTAN EL RESULTADO

• Velocidad de corte• Geometría del haz• Intensidad (potencia) del

haz• Foco del haz• Tipo de material a trabajar• Espesor del material a

trabajar• Estado general de la

maquinaria

VELOCIDAD DE TRABAJO SEGUN EL MATERIAL Y EL ESPESOR (CO2)

MATERIAL DE TRABAJO

ESPESOR

0.508 1.016 2.032 3.175 6.35 12.7 mm

Acero inoxidable 1905 1397 835.25 254 50.8 -- Mmmin

Aluminio 2032 889 381 254 101.6 76.2

Acero templado -- 449.58 177.8 101.6 -- --

Titanio 762 762 254 203.2 152.4 101.6

Madera -- -- -- -- 457.2 114.3

Boro/epoxi -- -- 152.4 152.4 63.5

REFRIGERADO

• Suelen utilizarse circuitos de refrigeración con refrigerante líquido o aire. Los elementos que requiere refrigeración son el generador del haz, el lente externo y la pieza.

POTENCIA REQUERIDA SEGÚN EL MATERIAL A TRABAJAR Y SU ESPESOR

MATERIAL ESPESOR

0.508 1.016 2.032 3.175 6.35 mm

Acero inoxidable

1000 1000 1000 500 250

Aluminio 1000 1000 1000 3800 10000

Acero templado

-- 400 -- 500 --

Titanio 250 210 210 -- --

Madera -- -- -- -- 650

Boro/Epoxi -- -- -- 3000 --

RESISTENCIA AL CHOQUE TERMICO

• Los materiales que se pueden trabajar con este proceso deben resistir el choque térmico debido a que el laser genera una gran temperatura focalizada, la cual puede producir tensiones que destruyan el material.

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ACERO INOXIDABLE ACRILICO

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MADERA METACRILATO

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PENETRACION 20mm ACERO PUNZONADO

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PUNZONADO ACERO INOX. MOVIMIENTO

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