Alternativas láser al pulido y desbarbado mecánicos

El Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT de Aquisgrán obtuvo unos resultados impresionantes en su ‘5ª Conferencia sobre Pulido Láser LaP’. Una vez más, más de 70 expertos de todo el mundo se reunieron en octubre de 2022 para debatir el estado del arte en alternativas basadas en láser para el pulido de componentes de vidrio, metal y plástico, entre otros materiales. La conferencia virtual en inglés se centró en el desbarbado por láser y el pulido por láser, así como en temas relacionados como la metrología y el control de procesos.

Los investigadores de todo el mundo confían en recetas similares a las de la comunidad del pulido tradicional, que cada vez dice más adiós al rectificado analógico y se centra en la digitalización con la Industria 4.0, los gemelos digitales y la IA. Todos estos temas están en la agenda de la ‘Conferencia sobre pulido láser LaP’ internacional, a la que Edgar Willenborg, jefe del Grupo de Pulido de Fraunhofer ILT, invita a los participantes cada dos años desde 2014. Dado que la situación de los viajes de los participantes de Asia y América seguía siendo incierta, LaP 2022 volvió a celebrarse como conferencia online.

El primer día, LaP número 5 se dirigió principalmente a las empresas que fabrican superficies ópticas y pulen vidrio, así como plásticos. El acto comenzó con una presentación de Jena, uno de los centros internacionales de fabricación de vidrio y óptica: Anett Jahn, directora general de la empresa ShapeFab, y Thomas Schmidt, ingeniero de laboratorio del Instituto Günter Köhler de Tecnología de Unión y Ensayo de Materiales (ifw), animaron a los participantes en LaP a empezar a utilizar el pulido láser.

ShapeFab e ifw combinan procesos de fresado CNC y láser para pulir superficies ópticas de hasta 250 x 400 mm. Este método híbrido debería poder procesar pronto cualquier contorno e incluso superficies complejas de forma libre de forma fiable, rápida y rentable. La empresa y el instituto presentaron un componente de demostración complejo de gran tamaño, que se fabricó en un total de unas siete horas, de las cuales sólo se dedicaron unos 10 minutos al pulido láser; el proceso de pulido mecánico convencional habría llevado hasta diez horas. En la próxima fase, el grupo quiere reducir aún más el tiempo de mecanizado CNC.

En Jena, la supervisión del proceso del láser con un pirómetro desempeña un papel importante. La supervisión digital con este instrumento de medición también es utilizada por Manuel Jung, de Fraunhofer ILT, que presentó la configuración de un control de bucle cerrado de bajo ruido para el pulido láser de ópticas en LaP. El miembro científico del equipo de Willenborg recomendó el uso de un software que permita realizar el pulido láser de forma fiable con una desviación máxima de la temperatura inferior al 0,5 por ciento. De este modo, el equipo de Aquisgrán pudo reducir la ondulación (MSFE) hasta en un factor de 10. El científico espera nuevas mejoras, ya que el instituto está desarrollando un proceso de control térmico aún más estable y silencioso que ya no utiliza un pirómetro, sino una termocámara y sofisticados métodos estadísticos.

Jie Qiao, profesor asociado del Instituto de Tecnología de Rochester (EE. UU.), explica cómo utilizar el láser de femtosegundos para corregir la forma de componentes de vidrio con una resolución de altura de nm. El secreto del éxito reside en un modelo matemático dinámico capaz de predecir la ablación y la evolución de la temperatura. La densidad de energía sirve de medida para escalar aún más el proceso. Demostrado en muestras planas, el proceso allana ahora el camino para la producción de alta precisión de superficies aún más complejas.

El rango subnanométrico fue también el tema central de Emrah Uluz, investigador asociado de Fraunhofer ILT que trabaja en la figuración de rayos láser LBF. Su presentación se centró en el uso de la ablación con precisión nanométrica para reducir la ondulación de las superficies pulidas de sílice fundida. Un factor clave en este caso es un láser altamente estable que funcione a potencia láser constante (desviación estándar: ≈ 0,1%). El pulido mecánico clásico del vidrio produce repetidamente arañazos más pequeños y más grandes que merman la calidad de su superficie. Según Kerstin Götze, jefe de grupo de pulido láser de la Universidad Ernst Abbe de Jena, el 99,9% de estos arañazos pueden eliminarse de forma fiable con el láser de CO2, especialmente cuando funciona a baja velocidad de avance. El proceso ha demostrado ser especialmente eficaz para mejorar la calidad de superficies curvas y estructuradas.

El profesor Jiwang Yan, de la Universidad Keio de Yokohama (Japón), observó que los efectos térmicos durante el pulido mecánico clásico de obleas de silicio monocristalino causan daños justo debajo de la superficie. Los expertos japoneses consiguieron reparar este ‘daño subsuperficial’ sin ablación del material ni contaminación ambiental mediante refundición con luz láser verde: La capa refundida creció monocristalina sobre el material subyacente. Sin embargo, esto sólo se consiguió tras una simulación previa de la estructura molecular. Tras el éxito de los experimentos, en Yokohama se desarrollaron varios sistemas láser adecuados no sólo para reparar superficies, sino también para crear superficies funcionales.

Un interesante fenómeno inspiró al científico Bowei Luo, del Instituto de Tecnología de la Información de Shenzhen (China), para combinar el pulido por láser en frío y en caliente del carburo de silicio. El pulido de este material cerámico con un láser UV reduce la rugosidad de la superficie a 1,4 μm con una potencia láser de 15 vatios. Sin embargo, la rugosidad de la superficie puede reducirse aún más hasta 1,082 μm precalentando la cerámica a 1.400 °C con un láser IR. Sin embargo, para ello también es necesario adaptar y optimizar el proceso de láser UV ‘frío’ al proceso IR ‘caliente’. Según Luo, la forma del rayo láser desempeña un papel fundamental: Por ejemplo, un haz láser de sombrero de copa uniforme con un diámetro de 0,32 a 0,54 mm podría reducir eficazmente el choque térmico, especialmente en las zonas de pulido de los bordes.

La forma del rayo láser también preocupa al científico Karsten Braun, de Fraunhofer ILT. Desarrolló estrategias de proceso para piezas de plástico impresas en 3D cuya rugosidad Sa varía de 14 μm (PA12) a 42 μm (PEEK) en función del material. Al pulir con un láser de CO2 de 120 W en el rango IR medio (longitud de onda: 10.600 nm), Braun se basa en un rápido escaneado cuasi-top-hat (de 5 a 10 m/s) desde una gran distancia (de 100 a 1.000 mm). El proceso de escaneado se ejecuta hasta 20 veces y está controlado por temperatura. Dependiendo del material, la rugosidad Sa tras el pulido láser es de 0,8 a 0,25 μm.

El segundo día de la conferencia estuvo dirigido principalmente a empresas que procesan componentes metálicos fabricados convencionalmente o impresos en 3D. Safak Nelsi, profesor adjunto de la OSTİM Teknik Üniversitesi de Ankara (Turquía), presentó una tarea muy difícil. Informó sobre el pulido por láser de un componente aeroespacial (Ti48AL2Cr2Nb) fabricado mediante el proceso de fusión por haz de electrones (Arcam A2X EBM). En un proyecto conjunto con un socio industrial, consiguió reducir las superficies, a menudo muy rugosas, de un componente fabricado mediante aditivos en torno a un 95% hasta tan solo 1,6 μm. Se utilizó un láser de fibra IPG de 600 W (longitud de onda: 1.070 nm), que pulió la superficie a una velocidad de barrido de 220 mm/s. Los retos durante las pruebas fueron las grietas superficiales, la ondulación y la oxidación.

Frank E. Pfefferkorn, de la Universidad de Wisconsin-Madison, junto con el Instituto de Bremen de Tecnología Aplicada de Rayos BIAS, abordó los problemas típicos de los componentes producidos de forma aditiva en un lecho de polvo mediante el proceso de fusión de lecho de polvo por láser (LPBF): Los componentes fabricados con LPBF suelen tener una superficie de mala calidad debido a partículas parcialmente adheridas, efectos de capa y formación de bolas. En experimentos con un componente de cromo-cobalto (Stellite 21), el equipo germano-estadounidense descubrió que el pulido por láser en modo de conducción (CM), que se utiliza habitualmente, tiene limitaciones. Por el contrario, el pulido láser en modo de ojo de cerradura (KM) produjo los mejores resultados —rugosidad y ondulación reducidas—, realizándose el paso final de pulido mediante un proceso CM.

La rugosidad superficial de los componentes metálicos producidos con procesos de impresión 3D basados en láser, es decir, LPBF, puede reducirse mediante el pulido láser. Sin embargo, la ondulación sigue siendo un problema, como descubrió Laura Kreinest, empleada del Fraunhofer ILT, durante el pulido por láser de un componente LPBF fabricado con acero para herramientas 1.2343. Incluso después de 16 veces de pulido láser, la ondulación Wa seguía siendo de alrededor de 1 μm. El científico resolvió el problema utilizando el proceso ‘WaveShape’ desarrollado en el instituto, que crea la estructura inversa de la ondulación no deseada en la superficie metálica mediante refundición por láser, reduciendo así la ondulación.

El profesor Yingchun Guan, de la Universidad Beihang de Pekín, investigó cómo influye el pulido láser en el comportamiento a la fatiga de componentes LPBF fabricados con Inconel 718, un conocido material aeroespacial. Señaló un estudio anterior presentado en LaP 2020 con componentes de turbinas en el que el pulido láser redujo la rugosidad Ra de más de 10 a menos de 0,1 μm. Nuevos análisis han demostrado ahora que las propiedades mecánicas también han mejorado: El pulido láser aumenta la vida a fatiga a una tensión mecánica de 840 MPa entre un 15 y un 20% en comparación con los valores de las superficies fresadas; a 500 o 600 MPa, es igual de alta.

Los materiales especiales, como los aceros avanzados de alta resistencia, son interesantes para la construcción ligera en el sector de la automoción, ya que tienen una gran resistencia (>1000 MPa). Sin embargo, suelen presentar microdefectos en los bordes durante el corte por cizalladura o por láser, lo que hace que los componentes sean susceptibles de sufrir grietas en los bordes. El científico Dongsong Li, del Instituto de Metalurgia Ferrosa (Universidad RWTH de Aquisgrán), presentó un proceso de desbarbado y redondeo de aristas mediante radiación láser, desarrollado en colaboración con Fraunhofer ILT. El láser funde el borde, elimina los microdefectos y lo alisa. En el experimento, un láser de diodo CW de 4 kW procesó con éxito una chapa de 1,5 mm de grosor de acero bifásico de alta resistencia (resistencia: 1.000 MPa) a 3,6 m/min. Las pruebas de expansión de agujeros y los ensayos con diábolos muestran una mejora significativa del rendimiento tras el tratamiento con láser. Este proceso permite mejorar la capacidad de conformado en más de un 200% antes de que aparezcan las primeras grietas en los bordes.

La supervisión del proceso desempeña un papel cada vez más importante en el pulido por láser: Evgueni V. Bordatchev, jefe de equipo del Consejo Nacional de Investigación de Canadá en Londres (Ontario), y Sven Linden, de Fraunhofer ILT, informaron sobre la cooperación germano-canadiense en este campo. Para automatizar la configuración de un proceso de pulido, integraron un interferómetro de luz blanca (WLI), que detecta estructuras superficiales con gran precisión, en una pulidora láser. Como parte de la colaboración, también se integró en otra máquina una cámara termográfica de alta velocidad. Los datos en tiempo real de la cámara se utilizan para cerrar el bucle de control y ajustar los parámetros. Visiblemente fascinados, los invitados de LaP observaron el vídeo de una cámara de alta velocidad que, a 42.000 fotogramas por segundo, visualizaba la solidificación del acero líquido para herramientas de trabajo en caliente (1.2343) en el baño de fusión.

La cámara térmica fue utilizada por Daniel Beyfuss, científico de la Universidad de Western Ontario en Londres (Canadá), para supervisar los procesos de refundición por láser (LRM). El canadiense utilizó la medición óptica coaxial para analizar los efectos de las inestabilidades termodinámicas en el proceso LRM. Un resultado importante es el papel fundamental del equilibrio termodinámico entre la potencia láser aplicada y su conversión en procesos de refundición, ya que influye significativamente en la estabilidad del proceso.

El científico estadounidense Patrick J. Faue, de la Universidad de Wisconsin-Madison, informó sobre un proyecto de investigación con el Instituto de Bremen de Tecnología de Rayos Aplicada BIAS. Se centran principalmente en la obtención de imágenes de rayos X de alta velocidad en el sincrotrón del prestigioso Laboratorio Nacional Argonne (ANL), un enfoque que ofreció interesantes conocimientos sobre la dinámica de los crisoles de fusión durante el pulido por láser. Por ejemplo, el equipo de investigación observó cómo se forman las oscilaciones del baño de fusión y, por tanto, cómo afectan al ojo de la cerradura. Willenborg, del Fraunhofer ILT, iniciador y moderador del LaP, declaró satisfecho tras el LaP virtual: “Dieciséis presentaciones cubrieron durante dos días diversos aspectos, desde el pulido clásico del vidrio hasta el análisis del baño de fusión en un sincrotrón. La mezcla marca realmente la diferencia: Esta es probablemente la razón por la que casi los 70 participantes estuvieron presentes en línea durante toda la conferencia. Sin embargo, a pesar del éxito virtual, estoy deseando volver a ver a la comunidad internacional de pulido láser en la sexta edición de LaP, que esperamos que vuelva a celebrarse en directo en Aquisgrán en 2024”.