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Guía del mecanizado asistido por láser: Procesos, Optimización y Aplicaciones

Mecanizado asistido por láser

Índice

Esta guía analiza la tecnología del mecanizado asistido por láser y cómo la incorporación del láser al mecanizado tradicional mejora las capacidades. Cubre los principios de interacción entre los láseres y los materiales y cómo se optimizan los parámetros del proceso. También se examinan las aplicaciones reales en distintas industrias y las perspectivas futuras de la fabricación de precisión por láser.

Fabricación de metales asistida por láser: Corte de precisión y tratamiento de superficies

Fabricación de metales asistida por láser

Los procesos de mecanizado híbrido basados en láser han revolucionado la fabricación de precisión en las últimas décadas. Al incorporar una fuente láser de alta potencia a las herramientas sustractivas convencionales, estas tecnologías desbloquean nuevas capacidades para el procesamiento de materiales mucho más allá de los límites de los métodos tradicionales por sí solos.

Con las interacciones láser-materia regidas por las propiedades y los ajustes del láser, estos procesos diseñan efectos térmicos, físicos y químicos hacia una eliminación, modificación y estructuración eficaces de los materiales. El control cuidadoso de los parámetros del láser en función de las características del material de trabajo optimiza los resultados del proceso.

Esta flexibilidad permite que el mecanizado asistido por láser aborde metales, aleaciones, cerámicas y materiales compuestos que de otro modo serían problemáticos y que antes se consideraban difíciles de cortar utilizando únicamente medios mecánicos. Más allá del corte y el taladrado básicos, estos sistemas híbridos permiten funciones innovadoras que abarcan desde superficies endurecidas hasta topografías microranuradas.

En todas las industrias, la hibridación láser mejora significativamente la eficacia de los procesos, la calidad y la precisión de los productos de alta precisión. Aunque todavía se está trabajando mucho en la mejora de esta tecnología, la conveniencia de su aplicación en la fabricación ya ha recibido una amplia aceptación en la mayoría de las industrias, con preferencia por la fabricación de automóviles, aeroespacial y industrias médicas. Este artículo tiene como objetivo presentar una introducción general del campo relativamente nuevo del mecanizado asistido por láser. Resume los principios clave, revisa los estudios de optimización de procesos y destaca las aplicaciones que utilizan esta floreciente tecnología. También se examinan las perspectivas de futuro de la fabricación de precisión por láser.

Parámetros del proceso láser

Los parámetros clave del láser que influyen en el proceso de mecanizado por láser son la potencia del láser, la longitud de onda, la frecuencia de pulso, etc. La potencia del láser determina la cantidad de energía suministrada a la pieza. Una mayor potencia permite una eliminación más rápida del material, pero puede provocar zonas afectadas térmicamente. La longitud de onda también influye en la mecanizado - Las longitudes de onda más cortas se absorben mejor en la superficie, mientras que las más largas penetran más profundamente.

La frecuencia del pulso es importante para los láseres pulsados. Las frecuencias más altas permiten potencias pico más elevadas para una eliminación más rápida, pero las frecuencias más bajas ayudan a minimizar la zona afectada por el calor. Es necesario optimizar adecuadamente estos parámetros en función del material y del resultado deseado.

Consideraciones materiales

Las propiedades del material, como la conductividad térmica, la dureza, el comportamiento de endurecimiento por deformación, etc., también influyen significativamente en el mecanizado por láser. Los materiales con mayor conductividad térmica permiten que el calor se disipe más rápidamente, reduciendo las tensiones térmicas. Pero también son más difíciles de mecanizar. Los materiales más duros necesitan una mayor densidad de energía para su eliminación.

Los materiales que se endurecen mucho con el trabajo, como el acero, hacen que la superficie se endurezca al calentarse, lo que exige densidades de energía aún mayores. Comprender estas interacciones entre los parámetros del láser y las características del material ayuda a personalizar el proceso para obtener resultados óptimos en cada aplicación. Los parámetros del proceso deben adaptarse en función del material de la pieza para conseguir un mecanizado eficaz con un buen acabado superficial y precisión dimensional.

Ventajas del mecanizado asistido por láser

Ventajas del mecanizado asistido por láser

El mecanizado asistido por láser ofrece varias ventajas sobre los procesos convencionales de mecanizado no asistido por láser. Algunas de las principales ventajas son la reducción de las fuerzas de corte, la menor rugosidad superficial, la disminución del desgaste de la herramienta y la alteración de la microestructura y las propiedades del material.

El tratamiento térmico localizado provocado por el láser reduce significativamente las fuerzas de corte sobre la herramienta al ablandar y debilitar el material de trabajo por delante de la herramienta. Esto reduce la carga mecánica y térmica sobre la herramienta. El material ablandado también produce un mejor acabado superficial con una rugosidad superficial reducida en comparación con el mecanizado convencional.

Las menores cargas y temperaturas de las herramientas provocan un menor desgaste de las mismas y prolongan su vida útil. Los experimentos muestran un aumento significativo de la vida útil de las herramientas de hasta 10 veces en comparación con los procesos sin láser. Los ciclos térmicos láser también modifican la microestructura y la dureza de los materiales a un nivel muy localizado. Esto permite aplicaciones como el endurecimiento de superficies.

En general, la incorporación del láser mejora la productividad al permitir mayores tasas de arranque de material junto con una mejor calidad superficial. Combinado con la reducción de los costes de utillaje debido a un menor desgaste, el mecanizado asistido por láser ofrece una mejora económica de la pieza respecto a los métodos tradicionales, especialmente en el caso de materiales difíciles de cortar.

Investigación sobre el mecanizado por láser de materiales específicos

Aleaciones de níquel

Las aleaciones de níquel se utilizan ampliamente en las industrias aeroespacial y médica debido a su gran resistencia y a la corrosión. Sin embargo, su densa microestructura las hace difíciles de mecanizar. Los estudios demuestran que los láseres Nd:YAG a potencias entre 150-300W y velocidades de avance de 2-4 mm/min optimizan la calidad del corte en Inconel 718. El torneado asistido por láser reduce las fuerzas de empuje en 40%, la temperatura de corte en 30°C y alcanza una rugosidad superficial de 0,4μm en comparación con el torneado convencional.

Aleaciones de titanio

Las aleaciones de titanio como la Ti6Al4V se utilizan habitualmente en las turbinas de los aviones por su gran resistencia y su resistencia a la corrosión. Pero su reactividad química plantea retos de mecanizado. Los estudios optimizan el fresado de Ti6Al4V con láser de fibra de 1070 nm a 3 kW de potencia y 500 mm/min de avance. Esto reduce a la mitad las fuerzas de corte y la energía de corte específica, al tiempo que se obtiene una rugosidad superficial de 0,8μm en comparación con 2,5μm sin asistencia láser.

Cerámica

Las cerámicas de nitruro de silicio y alúmina encuentran aplicaciones que requieren gran dureza y resistencia. Sin embargo, su fragilidad las hace propensas a agrietarse en procesos no láser. Los láseres permiten procesos similares a la micro-EDM a energías más bajas para mecanizar cerámicas sin grietas. La optimización del fresado por láser Nd:YAG de nitruro de silicio encontró que una potencia de 200 W y un avance de 50 mm/min producían superficies con una rugosidad de 0,2μm sin grietas.

Materiales compuestos

El EPRI afirma que los compuestos poliméricos reforzados con fibra de carbono y fibra de vidrio siguen utilizándose ampliamente, ya que poseen una elevada rigidez y relación resistencia/peso. El láser elimina únicamente la matriz polimérica y, debido a su alta resistencia, las fibras completas ofrecen un acabado limpio de los bordes. Los estudios demuestran que el CO2 corte por láser de compuestos de fibra de carbono a una potencia de 3 kW y un avance de 300 mm/min produce superficies de corte con una rugosidad <1μm sin deslaminación.

En resumen, la optimización de los parámetros láser en función de las propiedades de los materiales permite un mecanizado eficaz y sin daños de aleaciones, cerámicas y materiales compuestos que, de otro modo, serían difíciles de cortar. Esto mejora la productividad y satisface las estrictas exigencias de las aplicaciones aeroespaciales y médicas. Nuevas investigaciones pueden ayudar a ampliar las capacidades de mecanizado por láser a otros materiales.

Técnicas avanzadas de corte en el mecanizado asistido por láser

Técnicas avanzadas de corte en el mecanizado asistido por láser

Torneado y fresado asistidos por láser

A continuación se enumeran algunos de los procesos de eliminación de metales más utilizados; girando y fresado. En el torneado, una herramienta de corte gira mientras la pieza gira y mediante la operación de corte se producen ambas superficies cilíndricas. En el fresado, una fresa que tiene un número múltiple de dientes gira para cortar el material a medida que avanza por la cara de la pieza.

La integración del láser en estas operaciones ayuda en el mecanizado de materiales difíciles. En el torneado, un láser focalizado precalienta el material por delante de la herramienta, reduciendo las fuerzas de corte y la temperatura. Esto reduce la tensión de la herramienta y prolonga su vida útil al mecanizar aleaciones. En el fresado, un láser escaneado ablanda selectivamente el material de trabajo que se va a eliminar a continuación, mejorando la calidad de la superficie y permitiendo mayores velocidades de eliminación de material.

Los estudios han demostrado 40-60% un aumento de la vida útil de la herramienta y una reducción de las fuerzas cuando se utilizan láseres en el torneado de superaleaciones de titanio y níquel. El fresado de Inconel 718 utilizando láseres de fibra de iterbio mostró tasas de arranque de material 3 veces superiores en comparación con los métodos convencionales.

Efecto de los láseres pulsados en el corte

Los láseres pulsados, a diferencia de los láseres de onda continua, proporcionan un mayor control sobre el procesamiento térmico durante el corte. Las elevadas potencias pico de los láseres pulsados permiten un rápido calentamiento localizado, mientras que el retardo entre pulsos ayuda a disipar el calor entre exposiciones.

Las investigaciones demuestran que optimizar la duración del pulso láser y la frecuencia de repetición mantiene la temperatura de la zona de corte por debajo de los niveles críticos para evitar daños en la herramienta. Los pulsos más cortos con mayores retardos entre pulsos generan zonas mínimas afectadas por el calor. Los láseres de CO2 pulsados reducen la oxidación de la superficie en el fresado de titanio en comparación con los láseres continuos.

Los láseres de fibra pulsada maximizan la tasa de arranque de material en el torneado de acero duro por su capacidad para precalentar y cortar con puntos individuales a escala de micras. Este calentamiento localizado permite a los láseres pulsados minimizar los impactos térmicos sobre las herramientas y las superficies en comparación con los láseres continuos.

Texturizado de superficies mediante procesamiento láser

Endurecimiento superficial por láser

El endurecimiento superficial por láser utiliza la alta densidad de energía de los rayos láser para tratar térmicamente con rapidez finas capas superficiales sin afectar a las propiedades internas del material base. Esto crea una capa dura sobre las superficies externas para aumentar la resistencia al desgaste y a la corrosión.

Las investigaciones demuestran que el endurecimiento por láser utilizando los parámetros láser adecuados aumenta significativamente la dureza y las prestaciones frente al desgaste y la corrosión de las superficies tratadas. Por ejemplo, el tratamiento con láser Nd:YAG del acero AISI 4340 a una potencia de 1,5 kW crea una capa endurecida de 0,5 mm con un aumento de la dureza de 50-60% en comparación con el material base.

Del mismo modo, el endurecimiento por láser de las aleaciones de titanio mejora la dureza superficial en 30-40% y triplica la resistencia al desgaste. Las rápidas velocidades de calentamiento y enfriamiento del tratamiento láser, superiores a 105 K/s, favorecen las fases de no equilibrio responsables del endurecimiento. Los ciclos más rápidos también minimizan las zonas afectadas por el calor.

El endurecimiento por láser es muy eficaz en engranajes, matrices y otros componentes sometidos a fricción y desgaste. El proceso mejora la vida funcional y reduce las necesidades de mantenimiento de las piezas industriales. Constituye una alternativa ecológica y versátil a otras técnicas de endurecimiento de superficies.

Estampado láser de superficies

El texturizado preciso de superficies mediante láser permite una serie de aplicaciones que requieren propiedades superficiales mejoradas o personalizadas. Las micro/nanoestructuras generadas por láser alteran los atributos de humectación, adherencia, tribológicos y ópticos.

Los estudios demuestran que la estructuración superficial con láser de femtosegundo de metales con geometrías submicrónicas mejora la resistencia a la corrosión al interrumpir la difusión de los agentes oxidantes. Autolimpieza superhidrófobo se crean superficies sobre metales como el titanio mediante la formación por láser de estructuras jerárquicas que imitan las hojas de loto. Dichas superficies presentan ángulos de contacto con el agua >160° y ángulos de deslizamiento <10°.

Los nanogratados antirreflectantes y antisuciedad sobre vidrio utilizan la litografía de interferencia láser para crear matrices de crestas de sub-longitud de onda. Los implantes biomédicos demuestran una mayor osteointegración a partir de topografías microranuradas por láser similares a la arquitectura ósea trabecular.

Los láseres pueden procesar rápidamente patrones lisos y uniformes en grandes áreas con tamaños de rasgo controlados. El nanopatterning 3D permite propiedades superficiales gradientes y multifuncionalidad. El proceso láser sin contacto evita los problemas de contaminación.

En general, la ingeniería de superficies por láser abre nuevas vías para el diseño inteligente de superficies en sectores como la automoción, los productos de consumo y los implantes biomédicos mediante el ajuste microestructura-propiedades.

Conclusión

Mecanizado asistido por láser

El mecanizado asistido por láser ha surgido como una tecnología de fabricación muy eficaz que ofrece ventajas significativas sobre los métodos convencionales. Los efectos de calentamiento de precisión del láser permiten mejorar la capacidad de mecanizado de una amplia gama de materiales que antes se consideraban difíciles de cortar.

Optimizando los parámetros del láser junto con los parámetros de corte en función de las propiedades del material de trabajo, se pueden conseguir mejoras máximas en la productividad del proceso, la calidad de la pieza y la vida útil de la herramienta. Los láseres pulsados, en particular, proporcionan un excelente control sobre los efectos térmicos para minimizar los daños en la pieza de trabajo y el desgaste de la herramienta.

Más allá de las operaciones básicas de corte, la integración del láser abre nuevas posibilidades como los tratamientos de dureza y las texturas superficiales personalizadas. Esto amplía las aplicaciones a componentes funcionalizados en muchas industrias. Aunque se sigue investigando a fondo, las implementaciones industriales de las tecnologías láser ya han demostrado sus ventajas técnicas y económicas, especialmente para las exigentes aplicaciones de alto valor.

Con nuevos avances, el mecanizado por láser está llamado a aumentar cada vez más e incluso a sustituir a los procesos sustractivos tradicionales. Su flexibilidad y su naturaleza sin contacto seguirán desarrollando vías de fabricación avanzadas. En general, los procesos híbridos basados en láser muestran un enorme potencial de futuro para fabricar con eficacia piezas funcionales de alta precisión y superficies de ingeniería.

Preguntas frecuentes

Q. ¿Cómo funciona una máquina láser de metales?

A. Se dirige un láser de alta potencia a la pieza metálica, con lo que se utiliza la energía láser para fundir, evaporar o eliminar material. A continuación es posible esculpir diversas formas, gracias a los sistemas de posicionamiento exacto:

Q. ¿Qué tecnologías láser se emplean para el mecanizado?

A. Los tipos más comunes incluyen CO2, estado sólido (Nd:Los generadores láser disponibles incluyen láseres de colorante, láseres de excímeros y láseres YAG y láseres de fibra láser; operan en las regiones del infrarrojo al ultravioleta. Los láseres de fibra de varios kilovatios son portátiles y de alto rendimiento.

Q. ¿Qué tipo de materiales se pueden mecanizar con láser?

A. Se puede mecanizar cualquier cosa, desde metales y no metales de acero hasta plástico, madera y cerámica, así como compuestos de grafito.

Q. ¿Cuáles son las ventajas del mecanizado por láser?

A. Proporciona un mecanizado sin contacto, no térmico, de gran precisión y exactitud. Otras ventajas son la menor vibración de la máquina, la ausencia de desgaste de la herramienta y la capacidad de mecanizar piezas intrincadas en 3D sin fijación de piezas.

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