Preparados para la 4 revolucin industrial

Procesos de fabricacin basados en tecnologa LserOportunidades y claves para su incorporacin en la empresa

Red Gipuzkoa 4.0 de Fabricacin Avanzada

La incorporacin de la tecnologa lser para los procesos industriales se est con-solidado desde hace ya aos en diversos sectores industriales. Sin embargo, en las pequeas y medianas empresas, base del tejido empresarial vasco, en ocasiones se tiene la percepcin que el uso del lser para nuevas necesidades de produccin es algo reservado solo a las grandes corpo-raciones o a especialistas.

Esta realidad hace necesario tender puentes desde estas empresas hacia es-tas tecnologas que, aplicadas al proce-samiento de los materiales, se traduce en mejoras productivas, mayor flexibilidad y eficiencia.

En este documento se detallan breve-mente las caractersticas de las diferentes tecnologas lser y cmo los centros de la alianza de IK4 pueden ser el vehculo apro-piado para dar a conocer e introducir es-tas tecnologas en el mbito industrial.

A solution looking for a problem, as es como llamaba gran parte de la comuni-dad cientfica a la tecnologa lser, dado su desconocido potencial, tras su descu-brimiento por Theodore Maiman y Charles Townes a mediados del siglo XX. Hoy en da, el lser se emplea en un gran nmero de aplicaciones industriales, mdicas, mi-litares, cientficas y de entretenimiento, y est catalogada como una de las tecno-logas de fabricacin de mayor desarrollo y proyeccin de futuro de los ltimos aos. Dada su capacidad y potencial de de-sarrollo y flexibilidad de uso, la tecnologa lser se ha convertido en una herramienta imprescindible en numerosos sectores in-dustriales ligados al Manufacturing y es adems una de las tecnologas capacita-doras ligadas a la revolucin 4.0.

Desde el punto de vista de la fabricacin industrial se utiliza en infinidad de aplica-ciones tales como la metrologa, inspec-cin de calidad, monitorizacin de pro-cesos y el procesado de materiales, entre otros. Es, de hecho, el procesado de ma-teriales una de las reas de investigacin ms activa y dnde ms avances se estn produciendo tanto a nivel cientfico como industrial, sobre todo por las innumerables ventajas que ofrece frente a otras tecnolo-gas convencionales, tales como la flexibili-dad, facilidad de automatizacin, calidad

de acabados, alta reproducibilidad y pro-ductividad. Cabe destacar a su vez que es una tecnologa sin contacto, dnde no existe desgaste de herramienta, de mnima afectacin trmica y, dadas las nuevas fuentes lseres que ofrece el mercado, re-quiere de escasas o nulas operaciones de mantenimiento, lo que la convierte en una tecnologa asequible para un gran nmero de proceso industriales tanto a escala ma-cro como microscpica.

As, en la industria se pueden encontrar desde procesos ms extendidos como la soldadura, corte y tratamientos trmicos superficiales, a otros ms exticos tales como micro-taladrado, pulido, texturizado, decapado y limpieza, aplicados en sec-tores tan importantes como automocin, aeronutico y espacial. Mencin especial merecen adems, por su inters meditico y expectativas de futuro, los procesos de fabricacin aditiva basados en tecnologa lser.

A da de hoy, la tecnologa lser ofrece solucin a innumerables problemas, sin embargo, despus de 50 aos de existen-cia, sigue siendo una solucin a la espera de nuevos retos y aplicaciones que estn por llegar, principalmente en todos los as-pectos relacionados con la fabricacin avanzada.

Detalle del proceso de recargue lser de un alojamiento interior de un disco de acero (IK4-Tekniker)

Origen y breve descripcin1

La aplicacin de la tecnologa lser a los procesos de fabricacin se puede clasifi-car en diversos mbitos: a) procesamien-to de materiales, b) metrologa/medida, c) inspeccin.

Un bloque importante y con gran poten-cial de desarrollo es la aplicacin de la tecnologa lser al procesamiento de ma-teriales.

Las tecnologas lser, permiten controlar el input trmico de manera muy localiza-da sobre el rea de aplicacin. Adems, permiten utilizar sistemas remotos sin con-tacto de manera que se pueda realizar un escaneo o barrido de una superficie a pro-cesar con sistemas de posicionamiento de gran velocidad.

Como se muestra en la tabla anterior, dentro del procesamiento de materiales, los campos en los que la tecnologa lser tiene aplicacin son muy extensos. Desde

la fabricacin aditiva, la soldadura o unin, tratamiento trmico superficial, el texturiza-do superficial, el marcado o el micro-me-canizado.

Es importante conocer las alternativas tecnolgicas de estos procesos lser; con el fin de evaluar el potencial de la tecno-loga lser frente a otras alternativas. En la tabla siguiente se muestran las principales.

Alternativas tecnolgicas y oportunidades asociadas2

Tabla 1: Tabla de los mbitos de la tecnologa lser aplicado a la fabricacin.

Por otra parte, las ventajas y desventajas de la tecnologa aplicada al procesado de materiales por lser se resumen a conti-nuacin en la tabla siguiente:

Tabla 2. Tecnologas y procesos alternativos a la tecnologa lser.

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Tabla 3. Ventajas y desventajas de la tecnologa lser.

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Con respecto a los nichos de mercado y oportunidades de negocio, tal y como se ha apuntado en la introduccin, el lser presenta un potencial de desarrollo y apli-cacin industrial muy elevado.

Por ejemplo, la aplicacin de la tecnolo-ga en el mbito de la soldadura tiene lu-

gar en sistemas que requieran uniones de gran precisin, o piezas con material sensi-ble a la temperatura. Tambin tiene su ni-cho de mercado en aplicaciones de gran volumen de soldadura y repetitivas donde la velocidad de soldeo y la repetitividad adquieren gran importancia.

En general son procesos que generan pocos desechos y requieren pocos consu-mibles.

Por otro lado, una caracterstica genera-lizada de los procesos lser es su capaci-dad de ser monitorizados por dispositivos on-axis(en el mismo camino ptico del haz) o bien por sistemas off-axis externos. De esta forma, es posible controlar el pro-ceso actuando en tiempo real, sobre algu-nas variables caractersticas, con el fin de mantener la uniformidad del tratamiento

Otra de las caractersticas de los sistemas lser es la de poder hacer varios procesos con el mismo generador, nicamente va-riando el cabezal ptico; pudindose de esta manera adaptar el sistema a diferen-tes demandas o bien la utilizacin conjunta para varias aplicaciones (corte, soldadura, aporte-aditivo).

En general las tecnologas lser tienen una serie de caractersticas que las hacen idneas para una transicin en aquellas empresas en las que el concepto 4.0 es aplicable:

Capacidad de insertar sensores

Capacidad de registro

Tcnicas sin contacto

Digitalizacin del procesamiento, posi-bilidad de controlar de manera precisa y controlada la velocidad/posicin del haz, su tamao, energa,adaptando a entor-nos variables de procesamiento

Modularidad de los sistemas (generador, fibra de conduccin, cabezal, sistemas auxiliares)

Capacidad de adaptar el procesamien-to lser a variaciones del CAD/CAM de manera rpida

Reduccin de herramientas fsicas

Capacidad de incorporar y miniaturizar sistemas de inspeccin, medida y fabrica-cin

a) Proceso de soldadura lser de componentes cilndricos de acero inoxidable (IK4-Tekniker) b) Proceso de fabricacin por lasercladding (recargue) o laser metal deposition (fabricacin multicapa), por alimentacin de polvo metlico (IK4 LORTEK)

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Proceso de soldadura lser (cabezal ptico) instrumentado con sistema de monitorizacin de proceso y cmara termogrfica (IK4-LORTEK)

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Para implantar la tecnologa lser en un entorno productivo es necesario la adquisi-cin de equipamiento adecuado y forma-cin especfica de las personas encarga-das del manejo del equipamiento.

La eleccin del equipamiento depen-der principalmente de la aplicacin y los requisitos del proceso de fabricacin, teniendo en cuenta principalmente las di-mensiones y geometra de los componen-tes y las propiedades del material a tratar (composicin, espectro de absorcin, ru-gosidad superficial, etc.).

Entre el principal equipamiento necesa-rio para poder hacer uso de la tecnologa lser destaca la propia fuente lser, el ca-

mino ptico de guiado del haz, cabezal de proceso y el sistema de posicionamiento. A su vez puede ser necesario el uso de equi-pamiento auxiliar, como por ejemplo, una enfriadora para refrigerar determinadas fuentes lser de alta potencia as como las pticas de guiado, utillajes de amarre adecuados para sujetar los componentes durante el tratamiento lser, etc. En cuanto a las fuentes lser, stas se clasifican nor-malmente en funcin del medio activo que produce la radiacin lser. As, pode-mos encontrar lseres de tipo gaseoso, de estado slido o de semiconductor, entre otros. En la tabla siguiente se muestran las caractersticas de los lseres ms comunes disponibles en el mercado.

Claves para la incorporacin3

Tabla 4. Principales caractersticas de los lser ms comunes empleados en procesos de fabricacin

Hoy en da existen muchos tipos de fuen-tes lseres diferentes, con longitudes de onda de emisin que abarcan desde el es-pectro ultravioleta, pasando por el visible hasta el infrarrojo. La longitud de onda es uno de los parmetros caractersticos de las fuentes lser ms importantes, dado que la

respuesta de un material a la interaccin con el haz lser viene determinada princi-palmente por la absorcin del mismo a la longitud de onda del haz. La longitud de onda de emisin tpica as como el espec-tro de absorbancia de materiales comu-nes se puede ver en la siguiente ilustracin.

El camino ptico de haz suele estar for-mado por diferentes elementos pticos (fibr