Equipos y tecnologías para corte de chapa

Desde que a principios del siglo XX se postuló que la transición entre estados de energía al excitar un átomo puede emitir un fotón, hasta nuestros días, ha variado en gran medida el uso que se ha dado a la energía láser. El haz de luz coherente obtenido a la salida de un resonador óptico por excitación del medio activo es un haz láser (acrónimo de "Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation"), que debidamente tratado se convertirá en una fuente de energía de alto aprovechamiento. Las características propias de la energía láser posibilitan su utilización de una manera muy directa en aplicaciones industriales actuales de procesado de materiales en general y de corte de chapa en particular.

El proceso consiste en la focalización del haz láser en un punto del material que se desea tratar, para que éste funda y evapore lográndose así el corte. Como pretende simbolizar la figura 1 el haz láser, con una determinada potencia procedente del generador y de un sistema de conducción (figura 1.1), llegará al cabezal (figura 1.2). Dentro de éste, un grupo óptico (figura 1.3) se encarga de focalizar el haz con un diámetro determinado, sobre un punto de interés del material a tratar. El posicionamiento del punto focal del rayo respecto de la superficie que se desea cortar es un parámetro crítico. El proceso requiere de un gas de asistencia (figura 1.4), que se aplica mediante la propia boquilla del cabezal, coaxial al propio rayo láser. Este gas puede ser inerte para evitar oxidaciones o activo para catalizar el proceso. A su vez favorece la eliminación de material fundido, vapor y plasma de la zona de corte (figura 1.5). Es típica la aparición de ciertas estrías o rugosidades en las superficies cortadas (figura 1.6). La conjunción de todos estos factores, junto con otros como la velocidad relativa entre el cabezal y la pieza, producen una densidad de energía (con valores característicos en orden de magnitud de MW/cm2), que origina el corte para cada tipo de material.

Fig. 1.-:Modelado representativo del proceso de corte.

Aunque la aplicación mayoritaria del corte con láser se da en materiales metálicos, otro tipo de materiales como goma, vidrio, cuero, o madera son susceptibles de ser cortados con este método. En aplicaciones de corte láser de materiales metálicos debe tenerse en cuenta aspectos como calidad del material o posibles recubrimientos (aceite, óxido, pinturas, etc.) como condicionantes importantes del resultado final.

De entre todas las características genéricas del procesado láser, las que se exponen a continuación tienen un mayor protagonismo en el caso concreto del proceso industrial de corte de chapa.

El diámetro del spot que incide sobre la superficie a cortar tiene un valor medio en torno a las tres décimas de milímetro. Esto acarrea la consecución de surcos de corte muy estrechos de dimensiones muy parecidas a las del propio spot o ligeramente superiores. Asimismo, las distorsiones que origina en el material son mínimas.

La posibilidad de transmitir el haz láser mediante fibra óptica hace que, montado un cabezal de corte en un robot antropomórfico, se pueda alcanzar cualquier orientación de corte dentro del campo de trabajo del robot

No se produce desgaste de la herramienta por contacto ya que el grupo óptico que enfoca el haz origina que en posición de trabajo exista una separación entre la boquilla de la que sale el rayo y la pieza.

La programación se hace de una forma cómoda y precisa. Los dispositivos pueden incluir tablas de parámetros para cortar diferentes materiales. Es posible la automatización del proceso así como la comunicación de la máquina láser con otro tipo de dispositivos como CNC, centros de procesado, elementos de control de calidad, sistemas de gestión de errores y alarmas así como dispositivos de monitorización on-line de la máquina y del proceso láser.

La gran desventaja que presenta el corte de chapa por láser frente a otros procedimientos reside principalmente en el espesor máximo que se puede cortar. Otros procedimientos como el oxicorte, corte por plasma, electroerosión o corte por chorro de agua permiten cortar espesores mayores que el láser. Solamente el corte por punzonado tiene la limitación de cortar espesores menores que los que corta el láser.

Entre las aplicaciones industriales del láser para procesado de materiales se calcula que en torno al 60% de la actividad está dedicada al corte. Una de las industrias que mayormente absorbe esta actividad es la industria del automóvil y la industria auxiliar del automóvil.

A continuación se presentan unos ejemplos que caracterizan y justifican el uso del corte láser de chapa tridimensional en el sector del automóvil:

Fig. 2.- Célula de corte robotizada de Robotiker

Fig. 3.- Célula de corte láser de CO2 de Robotiker

Se pueden definir los dispositivos para corte por láser como aquellos que son capaces de transmitir la energía que proporciona un generador hasta el material a tratar para realizar el proceso. Todos los sistemas láser industriales cuentan con los siguientes elementos fundamentales:

Es el encargado de suministrar el haz láser con unas características (potencia, frecuencia, etc.) programadas.

Se encarga de trasmitir el rayo láser hasta el punto deseado del material a procesar.

Existen dos posibilidades, así como posibles combinaciones de ambas: Una posibilidad consiste en dejar la pieza fijada y mover el sistema de focalización y otra posibilidad sería la de fijar el cabezal láser y desplazar la pieza que se desea cortar.

Los equipos de corte láser están provistos de un sistema de control que permite su programación. Así mismo, el proceso de corte puede ser monitorizado y supervisado por medio de sensores. La información obtenida se puede utilizar en sistemas de control, sistemas de inspección de calidad o para conocer el estado de la máquina láser entre otros.

Para evitar el riesgo que provoca la radiación láser o los materiales que se cortan.

Como se ha explicado anteriormente es necesario gas de apoyo para favorecer el proceso láser.

Los láser más utilizados en aplicaciones de corte industriales son los de Nd:YAG y los de CO2. Se denominan así haciendo referencia al medio activo de su generador, es decir en el primer caso el láser se genera a partir de la excitación de cristal de YAG dopado con iones de Nd mientras que en el segundo caso se excita un gas compuesto de CO2, N2 y He. Aunque existen diferencias en las características del rayo láser que se genera en uno y otro caso, de cara al diseño de los dispositivos industriales para operaciones de corte de chapa la elección de un sistema frente a otro estará principalmente influenciada por la diferente vía de transmisión del haz. Mientras que en los sistemas de CO2 el haz láser se transmite a través de espejos hasta incidir sobre la pieza que se desea cortar, los láseres de Nd:YAG permiten además que esa transmisión de haz se pueda hacer a través de fibra óptica.

La posibilidad de transmitir el haz láser a través de fibra óptica dota de gran versatilidad a la opción del láser de Nd:YAG. En aplicaciones de corte 2D o de chapa plana el cabezal láser suele estar estático y es la chapa la que se desplaza en una mesa XY. En estos casos el sistema más extendido es el de CO2. Sin embargo, en aplicaciones de corte láser tridimensional o de chapa embutida la posibilidad de transmitir el haz láser por fibra de vidrio hace de los láser de Nd:YAG una opción muy potente. Entre otras ventajas de estos sistemas está la de poder integrar un equipo láser de Nd:YAG sobre un robot antropomórfico (de 6 ejes angulares) de uso general. Esto aporta al proceso de corte todas las propiedades intrínsecas del robot como se ha descrito anteriormente.

Los dispositivos utilizados para corte de chapa tridimensional son los pórticos y los robots. Cualquiera de ellos se puede usar con los dos tipos de láser descritos, aunque las dos configuraciones más extendidas son las de pórtico de CO2 y robot con Nd:YAG. Los pórticos son estructuras con al menos tres ejes cartesianos (que permiten posicionar el cabezal en el espacio tridimensional) y generalmente otros dos ejes angulares para poder reorientar la herramienta dentro del campo de trabajo.

Fig. 5.- Robot con láser de corte transmitido por fibra óptica.

Los pórticos, de mayor robustez mecánica, se caracterizan por una mayor precisión de posicionamiento 0.01 mm) y por un comportamiento uniforme en todo el volumen de trabajo. Los robots industriales tienen peor precisión (menor que 0.2 mm) y su comportamiento dinámico depende de la configuración instantánea de los ejes. Entre las ventajas de los robots industriales (antropomórficos) citaremos su sencilla integración en planta y mejor accesibilidad y mayor alcance de la herramienta de corte.

Dentro de su actividad de I+D y de apoyo a empresas Robotiker ha diseñado y participado en el posterior desarrollo de sistemas de corte de chapa tridimensional. Cabe destacar el desarrollo realizado de un pórtico para corte láser tridimensional de chapa que actualmente está operativo en una empresa del sector auxiliar de automoción. El sistema tiene 5 ejes que permiten independizar posición y orientación del cabezal. El generador es de Nd:YAG y se transmite por fibra óptica. El sistema cuenta, entre otros, con un dispositivo óptico de ayuda a la programación. Así mismo, en este tipo de actividades se fomenta la participación de empresas e ingenierías en proyectos de cooperación.

El sistema láser que muestra la figura 3 es otro ejemplo de proyecto liderado por Robotiker. En este caso se desarrolló un pórtico de CO2 de cuatro ejes que actualmente está operativo en las instalaciones de Zamudio de Robotiker.

Asimismo Robotiker ha participado en proyectos europeos como ROLAN (Aplicaciones Robotizadas para la Industria del Automóvil). Durante la realización de este proyecto se integró la tecnología láser de Nd:YAG conducida por fibra de vidrio en un robot antropomórfico y se estudió su aplicación en operaciones de corte de chapa para carrocerías de automóvil.

La pregunta de hacia dónde evolucionará el proceso de corte láser viene contestada por las necesidades que plantea la propia industria que lo utiliza. Dentro de esas necesidades es clave la expresión aseguramiento de la calidad. Se impone cada vez más la realización de un control que garantice unas exigencias de calidad.

Robotiker trabaja activamente en el desarrollo de sistemas de supervisión y monitorización on-line tanto del proceso láser como de la máquina. La sensorización del cabezal de corte da información de parámetros relevantes para el proceso y sobre la base de esta premisa se pueden configurar este tipo de sistemas.

Robotiker trabaja actualmente en el proyecto europeo LASCON (Incremento de la productividad mediante la supervisión on-line del proceso y de la maquinaria en sistemas de mecanizado láser). Los objetivos de este proyecto son:

Dentro de las diferentes tareas del proyecto, Robotiker se ha encargado de la selección del hardware y montaje del sistema de control que supervisa la calidad del proceso de corte y el estado de la máquina. La figura 6 muestra el armario de control desarrollado por Robotiker en este proyecto comunicado con la célula de corte por CO2 disponible en sus instalaciones.

Fig. 6.- Armario de control desarrollado por Robotiker comunicado con célula de corte.

Actualmente, Robotiker participa en un proyecto denominado VELI (Virtual European Laser Institute), en el que participan varios centros europeos expertos en sistemas láser. El objetivo de este proyecto es el desarrollo de la accesibilidad y uso de la experiencia en láser en Europa para su aprovechamiento en empresas PYME. Esto se logrará por medio de la creación de una red virtual cuya referencia para España es el centro tecnológico Robotiker.