Cómo funciona una máquina de corte láser: una guía completa

Corte por láser Es una técnica innovadora que corta materiales con una eficiencia y precisión inigualables mediante rayos láser enfocados. Al trabajar con metales, polímeros o incluso madera, las máquinas de corte láser ofrecen una forma flexible de producir patrones complejos y superficies de alta calidad.

Sin embargo, ¿cómo funciona una máquina de corte láser? Desde los fundamentos de la generación láser hasta el proceso de corte detallado, este ensayo profundiza en la mecánica subyacente a este sofisticado proceso.

Conocer el funcionamiento de estas máquinas láser no solo demuestra su utilidad en la producción contemporánea, sino que también abre nuevas vías para la innovación en toda la industria. ¡Acompáñeme a investigar el fascinante mundo de la tecnología de corte láser!

Principios del corte por láser

¿Qué es un láser?

La amplificación de luz por emisión estimulada de radiación, o láser, es una fuente de luz única que tiene las siguientes cualidades específicas:

• Densidad energética alta: Al concentrar la energía en un pequeño punto focal, el rayo láser produce suficiente calor para derretir o evaporar materiales.
• Monocromaticidad: La única longitud de onda de luz del láser garantiza estabilidad y una gran concentración de energía.
• Direccionalidad: La transmisión a larga distancia con poca pérdida de energía es posible gracias a la trayectoria de propagación extremadamente constante de los rayos láser.

Los láseres son perfectos para aplicaciones industriales como el corte y la soldadura industriales porque son más brillantes, más coherentes y tienen una direccionalidad más fuerte que las fuentes de luz normales.

¿Cómo funcionan las cortadoras láser?

¿Cómo funciona el corte láser? El método conocido como corte láser crea un borde de corte vaporizando materiales con un láser. Una fuente láser (también conocida como generador láser), como un láser de CO₂, Nd:YAG o fibra, produce un haz de luz altamente concentrado para iniciar el proceso de procesamiento láser. La sustancia de la pieza absorbe el haz láser concentrado y lo transforma en energía térmica.

El corte por láser calienta y corta materiales localmente mediante la conversión de la energía lumínica en energía térmica. Los siguientes elementos forman parte de su mecanismo de funcionamiento fundamental:

Principio del efecto térmico

Cuando una sustancia se expone a un rayo láser de alta intensidad, su energía se absorbe rápidamente y se transforma en energía térmica, modificando físicamente el material de las maneras que se enumeran a continuación:

• Derritiendo: Para producir un corte limpio, el material se funde y se imprime mediante un chorro de gas a alta presión.
• Vaporización: Lo que se utiliza a menudo para diluir materiales es la conversión directa de un sólido en gas.
• Ardiente: Ocasionalmente, los materiales pueden incendiarse y quemarse, especialmente cuando se utiliza un chorro de oxígeno para acelerar el proceso de corte.

Para una variedad de aplicaciones, el corte por láser produce resultados notables debido a su control preciso y energía concentrada.

Proceso de conversión de energía

Cuando los fotones del haz láser interactúan con partículas en la superficie del material, les transfieren su energía cinética, generando fuertes vibraciones que finalmente producen calor. Al elevar rápidamente la temperatura local, este método eleva el punto de fusión o vaporización del material.

Cambios físicos durante el proceso de corte

Los siguientes fenómenos físicos cooperan para finalizar el mecanizado durante el proceso de corte:

• Calentamiento y fusión localizados: El rayo láser concentrado crea un pequeño punto caliente sobre la superficie de la pieza de trabajo y rápidamente funde o vaporiza esa zona.
• Acción del gas asistido: Para expulsar el material evaporado o fundido de la ranura, se suministra oxígeno, nitrógeno o gas inerte a través de una boquilla. Esto enfría la pieza de trabajo y previene la oxidación.
• Formación de ranuras: Se crea un corte preciso cuando el cabezal del láser se desplaza a través de la zona de alta temperatura, que derrite o elimina constantemente material en su camino.

Componentes clave de una máquina de corte por láser

Para realizar un corte correcto y efectivo, máquinas de corte por láser Se componen de varias partes esenciales. Estos elementos y sus funciones se detallan a continuación.

La fuente láser

El centro de la máquina es la fuente láser, que produce el haz láser de corte. Los distintos tipos de láser utilizados en el corte láser tienen sus propias ventajas, limitaciones y principios de funcionamiento:

Laser CO2

• Principio: El medio láser es una combinación de gases (CO₂, N₂ y He). La longitud de onda de la luz infrarroja emitida por las moléculas de CO₂ excitadas es de 10.6 μm.
• Beneficios:
  • Alta potencia de salida (15 kW) que funciona bien con metales delgados y no metales.
  • Larga vida útil (hasta 20,000 horas) y bajo coste por vatio.
• Inconvenientes:
  • La producción de calor necesita un sistema de refrigeración.
  • Entre un 10% y un 20% menos eficiente que los láseres de fibra.

Fibra láser

• Principio: El medio láser es una fibra óptica dopada. La luz se libera a 1.06 μm.
• Beneficios:
  • necesidades mínimas de mantenimiento y alta eficiencia (30–35%).
  • Velocidades de corte más rápidas, especialmente para metales delgados.
• Inconvenientes:
  • Inicialmente más caro que los láseres de CO₂.

Láser Nd:YAG

• Principio: Utiliza un cristal de granate de itrio y aluminio dopado con neodimio como medio láser. Funciona a 1.06 μm.
• Beneficios:
  • Ideal para materiales reflectantes como cobre y aluminio, así como para micromaquinado preciso.
• Inconvenientes:
  • Procesamiento más lento para materiales más gruesos y baja eficiencia (1%–4%).

Entrega del haz y enfoque

El rayo láser debe enfocarse correctamente en la zona de corte y enviarse desde la fuente a la pieza de trabajo con la menor pérdida de energía posible.

Trayectoria de transmisión del haz

• Los láseres de fibra se basan en fibras ópticas flexibles para una integración más sencilla, mientras que los láseres de CO₂ utilizan espejos para guiar el haz.

Concentración en la óptica

• El corte de precisión es posible gracias a lentes y espejos, que concentran el rayo láser en un área pequeña con una alta densidad de energía.
• La alineación es crucial porque una alineación incorrecta puede provocar daños en las piezas o una mala calidad de corte.

El sistema de control

El sistema de control regula el movimiento, la potencia y los ajustes de corte para garantizar un funcionamiento correcto.

Sistema CNC

• Crea código G a partir de dibujos CAD/CAM para que puedan ser ejecutados por máquinas.
• Regula con precisión el movimiento del cabezal de corte.

Sistema de servocontrol

• Para una colocación precisa y un movimiento fluido durante las operaciones de corte, se utilizan servomotores.

Cabezal de corte y boquilla

La lente de enfoque y la boquilla, que se encuentran en el cabezal de corte, son componentes esenciales para guiar el rayo láser y el gas auxiliar.

Funciones de las boquillas:

• Controla el flujo de gases auxiliares (nitrógeno, oxígeno) para limpiar la trayectoria de corte de material fundido.
• Evita que los componentes ópticos se contaminen con residuos.

Tipos de boquillas:

• Boquillas monocapa para nitrógeno y otros gases inertes.
• Boquillas de doble capa para corte de alta velocidad con ayuda de oxígeno.

Software/Panel de control

A través de un software de control que gestiona la entrada de diseño, los ajustes de parámetros y el monitoreo en tiempo real, los operadores se comunican con la máquina.

Los ejemplos incluyen software de control propietario para una ejecución de corte efectiva y software CAM para el desarrollo de trayectorias de herramientas.

Sistemas Auxiliares

Sistema de enfriamiento

• Evita daños térmicos manteniendo la fuente láser y la óptica a temperaturas de funcionamiento constantes.

El sistema de escape

• Corta el humo, los vapores y los residuos producidos durante el corte para preservar la calidad del corte y garantizar la seguridad.

Gases suplementarios

• Oxígeno: Favorece la combustión y acelera el corte (se utiliza para cortar acero al carbono).
• Nitrógeno: Utilizado en acero inoxidable, detiene la oxidación para superficies superiores.
• Aire: Una opción asequible para usos sencillos.

Proceso de corte por láser

Paso 1 Preparación del diseño y programación

Uso de software CAD/CAM

• CAD (Diseño asistido por computadora): Utilice programas como SolidWorks, AutoCAD o Fusion 360 para crear modelos 2D o 3D complejos. Con estas herramientas, los diseñadores pueden garantizar la exactitud de las dimensiones y asignar calidades de materiales.
• Manufactura asistida por computadora (CAM): Para especificar parámetros de corte como la velocidad, la potencia del láser y el recorrido, importe archivos CAD al software CAM. A continuación, se generan trayectorias de herramienta personalizadas según el material y los requisitos de corte mediante el software CAM.

Conversión de código G

Las trayectorias de herramienta se transforman en código G, el lenguaje de programación que las máquinas CNC entienden, mediante el software CAM. El movimiento del cabezal de corte y del rayo láser en los ejes X, Y y Z se gestiona mediante código G. Utilice un controlador USB o una conexión wifi para enviar este código G al controlador de la máquina de corte láser. La configuración de los parámetros ideales del proceso se realiza después de la fase de diseño.

Paso 2 Configure la máquina

Coloque los elementos a cortar en la máquina de corte láser, ajustando la posición según el grosor y el tipo de material. Esta configuración permite ajustar la potencia, la velocidad de movimiento y el enfoque del haz del láser.

El modelo del equipo de corte por láser y los tipos de materiales a cortar determinan el parámetro ideal.

Paso 3 Proceso de corte y grabado

Puede empezar a cortar y grabar después de configurar todo y ponerlo en marcha. Todo comienza con el láser, que produce una luz constante y sólida.

Un resonador láser, que es la fuente del recurso láser, envía un haz sólido al cabezal de corte a través del sistema de espejos. La lente del cabezal de corte concentra el láser en un haz estrecho y concentrado.

Para cortar o rasterizar la materia prima, este rayo puede dirigirse sobre ella siguiendo la trayectoria que especifica el dispositivo digital. Comprenderás mejor la teoría si enciendes fuego con luz solar y una lupa.

La sustancia se derretirá, quemará o vaporizará a medida que la luz recorra la ruta, produciendo un corte y grabado correctos.

Mediante un chorro de gas, la máquina de corte láser también puede eliminar el exceso de material. El pórtico, un dispositivo mecánico, suele ser donde se fija el cabezal de corte.

Este dispositivo a menudo es accionado por una correa o cadena, lo que permite un movimiento preciso del cabezal de corte dentro de un área rectangular designada (el tamaño de la cama de trabajo).

El pórtico permite que el cabezal de corte corte con precisión en cualquier punto de la mesa moviéndose hacia adelante y hacia atrás sobre la pieza de trabajo. Para obtener las mejores condiciones de corte, el láser debe enfocarse en el material a cortar.

Para garantizar un excelente efecto de corte láser, todos los equipos de corte láser deben enfocar el programa antes de cortar. La máquina de corte láser cuenta con un gas auxiliar, además de la función propia del láser.

Durante el corte, este gas se expulsa del cabezal de corte y ayuda a enfriar los materiales y limpiar los metales fundidos. Como resultado, la máquina de corte láser mantiene una superficie de corte lisa y limpia, además de proporcionar un corte preciso.

Paso 4 Procesos posteriores al corte e inspección

Controles de calidad

• Utilizando instrumentos como calibradores o desbarbadoras, verifique los bordes cortados para detectar rebabas, rugosidad, verticalidad y corrección dimensional.

Pasos posteriores al procesamiento

• Desbarbado: Utilice herramientas de lijado o esmerilado para suavizar los bordes afilados o los defectos.
• Tratamiento superficial: Para mejorar la apariencia o detener la corrosión, aplique pintura, anodizado o pulido.

El último examen

• Antes de embalar o ensamblar, verifique cada pieza con los parámetros de diseño para garantizar la calidad y la uniformidad.

Características del corte por láser para diferentes materiales

Tanto los metales como los no metales pueden beneficiarse de la precisión y adaptabilidad que ofrece el corte láser. A continuación, se ofrece un análisis exhaustivo de las características, la configuración del láser y los factores de cada categoría.

1. Materiales Metálicos

Potencia y tipos de láser relevantes

• CO₂ Láser: Bueno para láminas metálicas delgadas, aunque necesita gases de ayuda para cortar bien.
• Láser de fibra: Debido a su alta eficiencia y longitud de onda más corta (1.06 μm), este láser es perfecto para metales, particularmente aquellos altamente reflectantes como el cobre y el aluminio.
• Láser Nd:YAG: Este láser, menos utilizado en el corte a escala industrial, se utiliza para el micromecanizado preciso de metales.

Dependiendo del espesor del material se informan diferentes ajustes de potencia:

Elementos de corte cruciales

• Potencia Para garantizar la penetración, los materiales más gruesos requieren mayor potencia.
• Velocidad: Para preservar la calidad del borde, se necesitan velocidades más lentas para metales más gruesos.
• Ayuda Gas:
  • El corte por oxidación se acelera con el oxígeno (utilizado para el acero al carbono).
  • El nitrógeno mantiene los bordes limpios y evita la oxidación (se utiliza para acero inoxidable).

 Comparación de metales típicos

Materiales no metálicos

Calidades

Los materiales no metálicos tienen propiedades especiales que permiten utilizarlos de diversas maneras:

• Madera: Perfecto para manualidades y decoración, corta limpiamente y quema poco.
• Acrílico Se utiliza ampliamente en objetos ornamentales y letreros debido a su alta precisión y bordes lisos.
• Tela/Textiles: Adecuado tanto para patrones creativos como industriales; cortes libres de deshilachados.
• Papel/Cartón: Cortes precisos con pocos riesgos de incendio cuando los ajustes están correctamente ajustados.

Configuración de parámetros

Comparación de la calidad de corte y el espesor del material

• Debido a que los materiales más delgados tienen menos efecto térmico, pueden cortar más rápida y limpiamente.
• Se necesitan velocidades más lentas y más fuerza para que los materiales más gruesos penetren completamente sin quemarse ni deformarse.

Técnicas de corte por láser

Una ventaja del corte láser sobre el corte por plasma para metales es su mayor precisión. El calor se produce por el potente láser al entrar en contacto con la sustancia, fundiendo o vaporizando la superficie. Existen cuatro categorías principales de procesos de corte láser según el tipo de gas auxiliar:

Corte por fusión

El gas auxiliar en el corte por infusión no contribuye a la fusión del material; solo actúa una vez que el láser lo ha hecho. El nitrógeno, o gas inerte, se considera generalmente un gas auxiliar de corte.
Al expulsar el metal fundido de la ranura, el gas auxiliar presurizado acelera el corte y reduce la potencia del láser necesaria para cortar el material. El metal se puede cortar mediante corte por fusión. Este método también se conoce como corte por soplado y fusión.

Cortando con llamas

En el oxicorte, el oxígeno, el gas auxiliar, participa en la combustión y la fusión del material. El haz láser calienta la sustancia y, cuando los materiales calientes reaccionan con el oxígeno, se produce una llama. Esto facilita el corte del material al aumentar la potencia aplicada.

Para realizar el corte, soplo simultáneamente el metal quemado con un flujo de oxígeno a alta presión. Los materiales de acero al carbono grueso suelen cortarse con llama. Este método también se conoce como corte reactivo debido a la reacción que se produce entre los materiales calientes y el oxígeno.

Corte por sublimación

Al cortar materiales delgados (como láminas y textiles) sin gas auxiliar, se hace visible el corte por sublimación. En lugar de fundir el material, un rayo láser lo vaporiza inmediatamente durante este proceso.

El material en el foco puede vaporizarse debido a la intensidad, creando una incisión fina. El corte por vaporización es otro nombre para este tipo de corte.

Corte por impacto

Los materiales difíciles de cortar con rayos láser continuos se cortan mediante corte por impacto. Para crear orificios superpuestos en el material, se aplica un rayo láser de pulso rápido a su superficie.

El corte por impacto se utiliza habitualmente para cortar materiales frágiles como el vidrio y la cerámica. Los materiales y la aplicación real determinarán el tipo de láser a utilizar. Por ejemplo, el láser de fibra se suele usar para metal, mientras que el láser de CO2 se utiliza habitualmente para cortar diversos materiales.

Para garantizar un corte preciso y eficaz de materiales metálicos, la máquina de corte por láser utiliza los efectos complementarios de un rayo láser de alta energía y un gas auxiliar.

Es fundamental recibir formación y adquirir la capacidad necesaria para utilizar el equipo de corte láser. Por ejemplo, es fundamental asegurarse de que haya una ventilación adecuada, evitar el contacto directo con los ojos y usar gafas protectoras. De esta forma, se garantiza la seguridad y se obtienen los mejores resultados. Para que el equipo siga funcionando correctamente, también es necesario realizar un mantenimiento rutinario.

Conclusión

Las máquinas de corte láser utilizan láseres de alta potencia para cortar con precisión y eficacia en diversos sectores. Muchos métodos de corte, como la fusión y la llama, son cada vez más esenciales para la tecnología y la producción láser contemporáneas.

En el sector de corte de metales, fabricación de chapa metálica y otras aplicaciones de ingeniería mecánica, las máquinas de corte por láser de KRRASS proporcionan una precisión y eficiencia incomparables.

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