En busca del haz láser perfecto

Los actuales láseres para aplicaciones de corte son las fuentes de haz de láser industriales que mejor se venden en todo el mundo. Los análisis actuales estiman que estos láseres representan aproximadamente el 50% del mercado, siendo la aplicación más importante la que se ocupa del corte preciso, flexible y altamente productivo en 2D utilizado para crear prácticamente cualquier contorno de pieza metálica en bruto. Al mismo tiempo, los métodos de corte completamente nuevos, como por ejemplo, las perforaciones o el modelado preciso de las pantallas de cristal para dispositivos móviles, están a punto de dar el salto a la producción industrial. Las actuales investigaciones se centran en fomentar la experiencia en el campo de la formación de haces láser por fibra para el corte de metales y en transferir dicho conocimiento al corte de vidrio libre de daños tanto en la industria de las pantallas así como en el corte de precisión por chorro de agua en piezas pequeñas. Como parte del proyecto europeo HALO (‘Haces de luz adaptables de gran potencia para el procesamiento de materiales’), científicos del Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT trabajan en la distribución de la intensidad del haz láser, para conseguir que cumplan con los mayores requisitos de calidad mientras se conservan las fuentes.

En términos de corte de chapas metálicas, el láser es una herramienta bien establecida. El rendimiento del láser hasta 8 kW es el estándar de la tecnología industrial y permite incluso el corte de chapas metálicas hasta 50 mm de espesor. En los últimos años, además de las aplicaciones en 2D, el mecanizado en 3D de los componentes modelados ha ido aumentando en todos los ámbitos, en parte debido al uso extensivo del acero difícil de mecanizar, de gran fuerza, y forjado, especialmente en el campo de la ingeniería automovilística.

La herramienta láser ha demostrado su sostenibilidad para cortar otros materiales, como semiconductores, vidrio, plástico y materiales compuestos, y se han introducido en las primeras aplicaciones. El desgaste de la herramienta, que puede dar lugar a la merma de la calidad cuando se utilizan métodos de corte convencionales, no ocurre con el corte láser. Sin embargo, los ejes de corte de los componentes mecanizados por láser son aún más duros, por ejemplo, que los componentes metálicos fresados. Se debe, en parte, porque el haz láser no tiene la forma adecuada necesaria para obtener el mejor resultado para la aplicación en cuestión.

El haz láser típico posee una intensidad muy alta en el centro, que cae a los lados en el caso de formas acampanadas. Pero un haz láser con dicha distribución de intensidad Gaussian no es necesariamente la herramienta ideal para toda aplicación. Por ejemplo, mientras esta distribución de haz es adecuada para cortar de forma rápida y con una calidad relativamente alta una chapa de 1 mm de espesor, las chapas con espesores de 1 cm requieren un haz más ancho, con mayor distribución de intensidad en los bordes. Las últimas investigaciones apuntan hacia la definición de un haz de láser adecuado para cortar materiales de diversos tipos y grosores para poder aprovechar el potencial resultante.

Aquí es donde entra el proyecto europeo HALO (‘Haces de láser adaptables de gran potencia para el procesamiento de materiales’). Desde septiembre de 2012, un consorcio internacional que consta de nueve institutos de investigación y compañías industriales, incluidos Trumpf y Synova, ha estado trabajando en el desarrollo de formaciones de haz para aplicaciones específicas. Bajo el liderazgo de Gooch & Hausego Ltd, los participantes del proyecto están personalizando la distribución de intensidad del haz láser para cada caso concreto. Finalmente, los sistemas láser deben equiparse de forma que los usuarios puedan llevar a cabo pruebas prácticas. Expertos de Fraunhofer ILT ven un potencial enorme en términos de recorte de costes y velocidades de procesamiento, incluso mientras mejora la calidad del producto.

El grupo Fraunhofer ILT’s Macro Joining and Cutting group y el grupo Modeling and Simulation han estado estudiando el corte láser durante más de 25 años. En su trabajo, los investigadores aplican sofisticados métodos de diagnóstico (videografía de gran velocidad de los procesos de corte, técnicas de imagen para el análisis de flujo de fusión, y técnicas schlieren para visualizar el flujo de gas de corte) y métodos de evaluación (meta-modelling, simulación QuCut de ondas). Los científicos profundizan continuamente en su comprensión de este tópico y aplican métodos láser adecuados para cada vez más tareas de corte. Ahora, como parte del proyecto HALO, se utilizarán determinadas aplicaciones para examinar cómo debería fabricarse el haz láser con el fin de obtener los mejores resultados de corte. También es importante observar la dinámica de corte, la formación de ondas así como la espuma adherente.

El grupo Fraunhofer ILT’s Modeling and Simulation group contribuye a estos esfuerzos aplicando los hallazgos de las simulaciones informáticas con el fin de intentar optimizar los procesos de láser. El grupo simula primero los procesos de corte en el ordenador, antes de calcular la distribución de intensidad del haz láser ideal para cada aplicación en concreto. Posteriormente diseña los componentes ópticos, en base a la información obtenida previamente.