La conformación del haz ayuda a los láseres de fibra a cortar piezas metálicas delgadas y gruesas

Jun 02, 2023

Los láseres de fibra están comenzando a utilizar una tecnología de formación de haz que cambia el perfil de energía del haz para adaptarse a las necesidades de corte de la aplicación. Óptica Mazak

Los fabricantes de metal que han estado en el negocio por un tiempo pueden ser sentimentales con el láser de CO2. Claro, el mantenimiento de la máquina no era simple, pero un sistema finamente ajustado, con el haz centrado en la boquilla y una trayectoria del haz libre de residuos, podía producir bordes suaves como la mantequilla y sin escoria. Durante la mayor parte de los últimos 10 años, los fabricantes que querían calidad en los bordes (especialmente en planchas) eligieron un sistema de CO2, mientras que aquellos que necesitaban velocidad eligieron el láser de fibra. Este cálculo, sin embargo, está empezando a cambiar.

"La fuerza bruta de la potencia total del láser de fibra no es la respuesta".

Eso dijo Al Bohlen, presidente de Mazak Optonics, durante una jornada de puertas abiertas a fines de abril en las instalaciones de la empresa en Elgin, Illinois, un evento en el que la empresa presentó formalmente su máquina de corte por láser de fibra OPTIPLEX 3015 NEO de 15 kW.

En los últimos años, los proveedores de máquinas láser han introducido innovaciones que alteran las características del haz con el objetivo de expandir las capacidades del láser de fibra para cortar de manera efectiva una variedad de grados y grosores de materiales, no solo láminas delgadas. En su evento de abril, Mazak Optonics describió su enfoque para hacer que el láser de fibra sea más flexible.

Como explicó Bohlen, el sistema usa más que la "fuerza bruta" de la alta potencia del láser de fibra. Su fuente de láser de fibra nLight utiliza tecnología de modelado de haz que, junto con un cabezal de corte Mazak, puede crear diferentes perfiles de calor, así como diferentes diámetros de haz y distancias focales para producir bordes de alta calidad en materiales delgados y gruesos.

En lugar de enviarse a través de un cable de fibra de un solo núcleo, el láser viaja a través de un cable de varios núcleos. En esencia, la tecnología controla cómo se distribuye la energía entre los múltiples núcleos de la fibra. "Podemos proporcionar la cantidad de energía láser que pasa a través de cada núcleo", dijo Bohlen. "Esto nos permite crear un núcleo más frío del haz y concentrar más energía en los bordes exteriores. Estamos moviendo el calor del láser de fibra a través de diferentes elementos del núcleo y, al hacerlo, creamos diferentes modos".

Históricamente, la mayoría de las máquinas de corte por láser de fibra se han vendido con láseres que tienen un perfil de haz único, con alta densidad de potencia en el centro y baja densidad de potencia en los bordes. "Esto crea una forma con calor en el centro, como la punta de una lanza. Con una gran densidad de potencia viene una capacidad increíble para cortar muy rápido en material delgado", dijo Bohlen. Pero a medida que aumenta el grosor del material, el corte con un perfil de potencia de haz de este tipo se vuelve más desafiante. "El gas de asistencia tiene que trabajar muy duro para sacar el material fundido del corte", dijo Bohlen. "Se está abriendo camino a través del proceso de corte". A medida que el material se vuelve más grueso, el flujo de gas intenta invertir la dirección y el corte se convierte en escoria, escoria y estrías profundas.

A lo largo de los años, la óptica ha podido aumentar el diámetro del rayo láser de fibra, pero utilizando el mismo perfil de calor: alto en el centro, bajo alrededor de los bordes. La alteración del perfil del haz en la fuente, antes de que la luz llegue al cabezal de corte, crea una distribución de energía del haz con más energía alrededor de los bordes y menos en el centro.

"Con todo esto, aún se necesita un cabezal de corte inteligente que pueda tomar este rayo y hacer algo con él", explicó Bohlen. Un nuevo cabezal de corte Mazak tiene una óptica que puede acomodar el haz de mayor diámetro emitido por la fibra multinúcleo y enviarlo a través del centro de un pequeño orificio de boquilla. "Podemos tomar ese modo de dona y ahora hacerlo más pequeño y controlar su diámetro. El [cabezal de corte] sigue siendo un ingrediente importante para la receta".

La alta energía en el exterior del rayo láser también ayuda a suavizar las estrías y eliminar la conicidad, especialmente cuando se corta una placa muy gruesa. Ese estrechamiento se crea a medida que el metal fundido lucha por evacuar por la ranura estrecha, con un perfil de energía del haz que es relativamente frío en los bordes y caliente en el centro. Los sistemas de chorro de agua y de plasma pueden inclinar la antorcha para eliminar la conicidad. Ahora, con el corte por láser de fibra que utiliza el modo de haz y el control de diámetro, "puedo cortar una pieza de 1 pulgada de grosor, completamente recta", dijo Bohlen.

Tal tecnología de formación de haz no es completamente nueva. Mazak Optonics presentó su serie OPTIPLEX S con tecnología de formación de haz hace cuatro años (la "S" significa formación de haz), que incluye un sistema de 4 y 7 kW. El evento de abril dio a conocer la tecnología en un sistema de 15 kW.

La velocidad de corte de muchos materiales aumenta más rápido que la potencia de corte. Para acero dulce de 0,25 pulgadas de espesor, la velocidad de corte con nitrógeno que pasa de 10 kW a 15 kW puede duplicarse. "Es el doble de velocidad, pero no el doble de potencia", dijo Bohlen. "Eso se debe a que no es solo la potencia, sino también el control de modo lo que le brinda una pieza limpia y sin escoria. No es solo la fuerza bruta".

Bohlen describió tecnologías de boquillas que reducen la pérdida de gas de asistencia de nitrógeno y mejoran el flujo de gas de asistencia a través de la ranura. Discutió los avances en la generación de nitrógeno y las capacidades recién descubiertas de las mezclas de gases, así como el corte de aire. "Con mayor potencia, podemos cortar una mayor variedad de materiales y una mayor variedad de espesores con aire", dijo Bohlen, "no con nitrógeno". Agregó que los láseres necesitan aire limpio, ultraseco y de alta presión (400 PSI) producido por sistemas especializados, muy diferente del aire de taller estándar. "Pero para muchas operaciones, una vez que invierte en tales sistemas, podrá cortar casi cualquier cosa que necesite cortar con aire".

Bohlen también describió una nueva tecnología de control que puede gestionar el cambio de perfiles de haz sobre la marcha; esto incluye el uso de un perfil de haz para perforar y otro para cortar. También ofrece el llamado "anidamiento de cámara", en el que una cámara superior identifica el espacio disponible en una hoja disponible para cortar y luego extrae de las partes disponibles para llenarlo. Los operadores pueden permitir que el controlador ocupe el espacio o pueden colocar las piezas manualmente.

Un nuevo panel superior en el control de la máquina puede manejar varios aspectos de la programación y el control de la producción, que pueden ser particularmente críticos para los sistemas integrados con automatización. El auge de la automatización en el corte por láser ha sido difícil de ignorar, especialmente en los últimos tres años. Según Bohlen, aunque muchas operaciones entre la base de clientes de Mazak aún compran láseres independientes, la mayoría no permanece así.

"Alrededor del 50%, casi todas las demás máquinas que vendemos, tienen automatización desde el principio", dijo Bohlen. "Si incluimos máquinas independientes a las que se les agregó automatización dentro de un período de dos años, ese número salta al 70%. Ese número era del 30% hace solo cinco años".