Cómo corta un fabricante de metal de Pensilvania con potencia láser ultra alta

Jun 03, 2023

Un taller de fabricación de metal de Pensilvania tiene dos máquinas de corte por láser, nada fuera de lo común, hasta que se da cuenta de que tienen 15 y 20 kW de potencia de corte, respectivamente. Imágenes proporcionadas

El caso de negocios de la industria de fabricación de metal para alta potencia de corte por láser ha evolucionado a lo largo de los años. En los primeros años del corte por láser de CO2, una mayor potencia le permitía cortar más rápido y más grueso. Especialmente para los fabricantes personalizados, un láser de mayor potencia amplió las capacidades de un taller, lo que a su vez abrió la puerta a nuevos clientes y mercados.

Luego, a fines de la década de 2000, llegó el láser de fibra y un juego de pelota completamente nuevo. Al cortar material delgado, un láser de fibra podría ejecutar círculos alrededor de un CO2 de potencia similar. El láser de fibra elevó la capacidad de corte de la industria, tanto que muchos talleres lucharon para alimentar a la bestia. Claro, un taller podría automatizar el manejo de materiales, pero aun así, un láser que corta extraordinariamente rápido puede abrumar los procesos posteriores, especialmente el doblado y la soldadura. Se trata del rendimiento desde el pedido hasta el envío: si un taller aumenta su capacidad de corte solo para empujar el cuello de botella aguas abajo, ¿de qué sirve todo ese poder de corte?

Resulta que todas estas suposiciones pueden simplificar en exceso la estrategia similar al ajedrez necesaria para fomentar un rendimiento óptimo, especialmente una vez que profundiza en las operaciones que han instalado 10, 15 e incluso 20 kW de potencia de corte por láser de fibra.

Un buen ejemplo, Raytec LLC ha encontrado muchas cosas buenas en una mayor potencia de corte. En el taller se encuentran dos láseres de fibra, uno de 15 kW y el otro de 20 kW. Para entender por qué el fabricante invirtió en un poder de corte tan inmenso, se requiere una mirada más cercana al tablero de ajedrez de rendimiento.

Glen Zimmerman, uno de los propietarios de Raytec, había estado observando el corte por láser de alta potencia durante años. "En el corte por láser, debe mantenerse actualizado o quedará fuera del juego", dijo Zimmerman. "La tecnología está evolucionando muy rápidamente".

No estaba pensando en la alta potencia del láser por el derecho a fanfarronear, sino porque la tecnología se ajustaba a la estrategia de crecimiento general del taller. El abuelo de Zimmerman fundó Raytec como una pequeña tienda fabulosa en 1956 (la tienda lleva el nombre del padre de Zimmerman, Raymond). La empresa creció al ofrecer productos para las industrias de la construcción y la agricultura, desde componentes de canaletas residenciales hasta carros especializados utilizados en granjas lecheras y porcinas.

A medida que crecía la colección de equipos de fabricación CNC de la empresa, también crecía su demanda de trabajo en talleres. En la actualidad, la planta de la empresa en New Holland, Pensilvania, produce una combinación de trabajo de taller y piezas de chapa metálica para sus propias líneas de productos. Una planta en las cercanías de Ephrata y una ubicación en Missouri realizan estampado y perfilado para las líneas de productos de construcción de la compañía.

La planta de New Holland, que atiende a los tres negocios (productos para la construcción, productos agrícolas y trabajo de taller), tiene espacio limitado. Obtener el máximo rendimiento de ese espacio ha impulsado la estrategia de inversión en equipos del taller desde que compró sus primeras máquinas de corte por láser de CO2 a fines de la década de 1990. Los reemplazó con un láser de fibra de 4 kW en la década de 2010. Y luego, en 2019, el taller hizo su primera incursión en la potencia láser ultra alta, comprando un láser de fibra de 15 kW. En 2020, el taller siguió con otro láser de fibra, este de 20 kW. Ambos son sistemas láser Eagle.

En el corte de láminas y placas, el láser de fibra en sí no ha sido la limitación. La llamativa potencia del láser de fibra existe desde hace años y se utiliza en aplicaciones militares, de soldadura y otras aplicaciones especializadas. La limitación ha sido la propia máquina de corte por láser, específicamente el cabezal de corte por láser.

El cabezal de corte ha sido el talón de Aquiles del corte por láser de ultra alta potencia. Una máquina puede tener un marco sólido, transmisiones lineales y velocidades de corte muy altas, pero todas esas ventajas desaparecen si un taller sigue explotando cabezales de corte. Y no suele ser por falta de mantenimiento. Los rayos láser de extraordinaria potencia necesitan una óptica extraordinariamente limpia. La imperfección más pequeña, como escombros infinitesimalmente pequeños que caen de un componente en movimiento dentro de la cabeza, puede hacer que el calor se acumule sin control. Del mismo modo, reemplazar continuamente el vidrio de la cubierta protectora tampoco ayuda a la limpieza ni al rendimiento; los cubreobjetos no son gratis.

El material en bruto se prepara para el corte por láser. El trabajo fluye rápidamente desde el corte hasta el doblado y la inserción del hardware en el otro extremo de la planta.

Sin embargo, los últimos cabezales de corte están cambiando las reglas del juego, lo cual es una de las principales razones por las que cada vez llegan al mercado más y más máquinas de más de 10 kW. "Habíamos estado observando el láser de alta potencia durante años", dijo Zimmerman. "Sabíamos que algunos talleres estaban empezando a incursionar con máquinas de 12 kW y más, pero también sabíamos que tenían problemas con los cabezales de corte".

Las máquinas Eagle en el taller de Zimmerman no tienen partes móviles dentro de la trayectoria del haz en el cabezal, y los componentes de colimación están ubicados fuera del propio cabezal. La cubierta de vidrio también está empotrada en el interior de la cavidad de la cabeza. Los desechos de perforaciones o cortes deben recorrer 14 pulgadas a través de un flujo descendente de gas de asistencia para llegar a la ventana de vidrio protector.

Finalmente, está la densidad de energía del haz que, según afirma el fabricante de la máquina, se ve disminuida por los grandes elementos ópticos. "Cuando observamos estos láseres de fibra, analizamos cuánta tensión atraviesa la lente de corte", dijo Zimmerman. "Con estas nuevas máquinas, vemos que pueden pasar 15 kW a través de un área con menos densidad de energía que la que tenía nuestro antiguo láser de fibra de 4 kW".

Cuando las personas piensan en láseres de fibra de ultra alta potencia, automáticamente piensan en material grueso. Pero como explicó Zimmerman, esa no es la razón por la que Raytec saltó a la refriega del corte por láser de kilovatios de dos dígitos. Claro, la compañía ha recortado 0,75 pulgadas. y está experimentando con mezclas de gases y parámetros láser para que su corte de placas gruesas sea aún más efectivo, pero no es por eso que el fabricante tiene dos máquinas de ultra alta potencia.

El mercado de Raytec para el corte por láser de placas ultragruesas es pequeño, al menos en relación con el mercado de placas de 0,25 pulgadas de grosor o menos. Por supuesto, el taller podría establecer un nicho fuerte, tal vez quitándole trabajo a otras operaciones de corte térmico que, debido a los requisitos críticos de los bordes, siguen con el mecanizado de bordes. Si un láser puede eliminar un paso de mecanizado, puede ahorrarle mucho dinero al cliente.

Estos nichos pueden diversificar la cartera de trabajos de un taller, pero la demanda de tal corte podría no ser suficiente para ser el principal generador de ingresos. Como explicó Zimmerman, el potencial de rendimiento impulsó la operación hacia máquinas de alta potencia. Los dos nuevos láseres brindan a Raytec un tremendo rendimiento de corte, la capacidad de cortar más en menos tiempo, especialmente en material de 0,25 pulgadas y más delgado, lo que permite al taller cotizar el trabajo de manera extremadamente competitiva. También brindan al taller una amplia capacidad tanto para trabajos que requieren conformado posterior y herrajes como para trabajos de solo corte. El mayor rendimiento cambia la ecuación de costos y precios, lo que a su vez podría generar más trabajo en el pliegue del corte por láser.

Por supuesto, el caso comercial solo tiene sentido si la operación puede aumentar el rendimiento. Al igual que un auto de carrera finamente afinado, un taller de fabricación con corte por láser de ultra alta potencia necesita que todas las variables operativas estén afinadas para obtener el máximo rendimiento y rendimiento del material.

¿Podemos llenar una hoja? "Comienza con la comunicación con su cliente", dijo Zimmerman, especialmente cuando se trata de la utilización de hojas y planchas. El trabajo que llena un tamaño de hoja estándar aumenta el rendimiento del material y puede ahorrarle dinero al cliente al tiempo que simplifica el flujo de piezas y la gestión de remanentes.

Compra de Materia Prima. Dicha comunicación se traslada a la compra de materias primas. El corte por láser, como todo corte térmico, libera tensiones residuales en la lámina y las piezas podrían combarse o distorsionarse de alguna manera. La tecnología en la máquina de corte por láser puede evitar que tal curvatura obstaculice el rendimiento (como se describe más adelante), pero ninguna máquina de corte por láser puede cambiar la física de la chapa y la placa.

Como explicó Zimmerman, si las piezas severamente combadas requirieran nivelación antes de ser enviadas a los procesos posteriores o al cliente, esa operación secundaria agregaría costos y obstaculizaría el rendimiento óptimo. Toda la velocidad de corte del mundo no importa si una pieza requiere un paso de nivelación o una gran cantidad de reelaboración.

Dos láseres de ultra alta potencia tienen automatización de carga; la descarga parcial se realiza mediante técnicas convencionales.

Edge Quality, Power y Assist Gas. El mismo argumento vale para el desbarbado de partes planas. Raytec tiene una máquina de desbarbado de partes planas y, como explicó Zimmerman, algunos trabajos requieren bordes que el láser y el punzón no pueden producir por sí solos. Pero estos son la excepción, no la regla. Las operaciones de corte minimizan la necesidad de desbarbar con control de haz y velocidad altamente controlada alrededor de esquinas y contornos; el cabezal de corte de las máquinas se acciona linealmente, no con cremallera y piñones.

El taller también hace un uso estratégico del gas de asistencia, usando nitrógeno puro o, para material grueso (7 ga. y más grueso) normalmente susceptible a la escoria, una mezcla cuidadosamente controlada de nitrógeno y oxígeno. El nitrógeno evacua el material fundido y permite que el láser mantenga su velocidad, mientras que el oxígeno proporciona una acción de combustión que, cuando se sintoniza correctamente, puede dejar un borde limpio.

Como dijo Zimmerman: "Cuando alcanza suficiente potencia láser, puede comenzar a hacer cosas únicas con gas auxiliar combinado que no tendrán el mismo efecto cuando tenga la mitad de la potencia láser".

Rendimiento de corte. Si bien las pulgadas de corte por minuto aún desempeñan un papel en el rendimiento, el IPM sigue siendo solo una pieza del rompecabezas, y debe verse en un contexto más amplio. La velocidad de un cabezal de corte en línea recta es una cosa, pero ¿qué pasa con las esquinas y los contornos? ¿Qué tal el ciclo de perforación y, en realidad, la estabilidad general del proceso?

Aquí, dijo Zimmerman, es donde los impulsores lineales juegan un papel. Los dos sistemas Eagle tienen accionamientos lineales en X, Y y Z. El X y el Y permiten una alta aceleración, todos de 6 G, según el fabricante de la máquina. La aceleración rápida significa tiempos transversales rápidos de corte a corte, por supuesto, pero tiene otra implicación para el corte por láser de ultra alta potencia: el uso de toda la potencia del láser (y, por lo tanto, la velocidad máxima) a través de una mayor parte de todo el nido.

Si un cabezal que acelera lentamente corta cortes largos y rectos en una hoja, tiene tiempo suficiente para acelerar a la velocidad máxima y aprovechar al máximo su potencia láser. Pero si ese mismo cabezal pasa la mayor parte de su ciclo de corte acelerando y desacelerando dentro de cada corte a medida que avanza a través de patrones y orificios intrincados, nunca alcanza su IPM máximo para el espesor del material y el grado que está cortando, por lo que (al menos desde una perspectiva de velocidad de corte ) no hay necesidad de un nivel tan alto de potencia láser.

Y como señaló Zimmerman, el movimiento rápido de un eje Z lineal es especialmente importante. Primero, permite que la cabeza perfore más alto en algunas geometrías de orificios y luego baje inmediatamente para cortar.

"También es un gran problema con las puntas de las piezas y la prevención de choques con la cabeza", dijo Zimmerman, y agregó que los sensores en la cabeza (y a través de otros atributos de diseño de la cabeza) detectan los toques y las puntas de las piezas rápidamente. Una vez que la cabeza detecta tal inestabilidad en el proceso, se detiene inmediatamente y se eleva instantáneamente. "Luego se vuelve a centrar automáticamente y, si puede, corrige el problema y continúa, continuando donde lo dejó".

La cabeza tiene varias medidas de protección contra choques más allá de los sensores capacitivos, cada uno de los cuales se activa según la naturaleza del peligro de colisión. Independientemente, dijo Zimmerman, cuando se corta con láser tan rápido, tener altos niveles de protección contra choques es fundamental para mantener la estabilidad del proceso y el máximo rendimiento.

Carga de material y descarga de piezas. A medida que las máquinas de corte por láser de fibra se vuelven más y más poderosas, "alimentar a la bestia" se convierte en una preocupación mayor, de ahí la necesidad de alimentación de material automatizada con un cambio rápido de tarimas. Zimmerman dijo que el taller invirtió en un cargador/descargador automático, pero no en un sistema completo de almacenamiento en torre (aunque Raytec tiene una solución alternativa en proceso). El espacio en el piso es escaso y, además, "cuando lo piensas, alimentar el sistema es la parte fácil. La descarga y la clasificación de partes es un animal diferente".

Raytec tiene una combinación de tecnologías de plegado, que incluye una plegadora CNC, varias prensas plegadoras y (en la imagen) una celda TRUMPF que consta de una prensa plegadora automatizada dedicada a piezas pequeñas.

Según Zimmerman, la combinación de piezas de Raytec es tal que la clasificación de piezas automatizada o robótica no es una opción, al menos actualmente. (Sin embargo, el taller utiliza en gran medida la automatización de clasificación para el punzonado, como se discutirá más adelante). Además, dado que las máquinas de corte por láser alcanzan velocidades extremas, los tiempos de ciclo de corte son extremadamente cortos. En otras palabras, al menos para la operación de Raytec, la clasificación automatizada de piezas crearía un cuello de botella. Entonces, ahora los láseres se descargan en una mesa separada donde un equipo desensambla la hoja usando métodos tradicionales.

Dicho esto, Zimmerman sabe que la clasificación caótica de piezas también puede ser un cuello de botella y una restricción severa en el rendimiento, especialmente si la clasificación deficiente conduce a piezas perdidas o dañadas que deben volver a cortarse. Aquí es donde entra en juego la anidación estratégica.

Primero, la tienda minimiza los nidos con restos. Una vez más, esto ocurre a través de una buena comunicación con el cliente (ajustando un pedido para que llene una hoja), así como mediante el uso estratégico de piezas de relleno fabricadas para almacenar, ya sea para trabajos de taller ordenados constantemente o piezas para la propia línea de productos de Raytec.

Luego viene la estrategia de anidamiento real, un acto de equilibrio entre el alto rendimiento del material, la estabilidad óptima del proceso, las restricciones de grano por razones cosméticas o de flexión y, nuevamente, la facilidad de clasificación de piezas. Colocar las pestañas en el lugar correcto ayuda a mantener las piezas seguras y evita que creen un peligro de colisión con la cabeza. Por otro lado, el uso excesivo de pestañas, ya sea usando demasiadas, haciéndolas demasiado gruesas o ambas cosas, puede dificultar la eliminación de un oso.

De hecho, el ideal absoluto para la eficiencia de corte, el rendimiento del material y la facilidad de clasificación es el corte de línea común sin lengüetas. Según Zimmerman, los problemas de calidad de los bordes en dos piezas de corte común generalmente no son un problema, pero la integridad del esqueleto puede ser un problema. Así que los programadores hacen cortes comunes donde pueden; anide con secciones web cuando sea necesario; oriente la dimensión más larga de las partes perpendicular a los listones para que las partes se mantengan estables incluso sin pestañas; y, finalmente, tabular solo cuando sea necesario.

Los operadores también observan la acción de corte y, si es necesario, ajustan las pestañas en el programa directamente en el control de la máquina. "En las nuevas máquinas, el operador puede agregar pestañas a las funciones que no tenían", dijo Zimmerman, "y eliminar de manera efectiva las pestañas de otras funciones directamente en los controles, sobre la marcha".

Los operadores también pueden ajustar el grosor de una pestaña. Zimmerman dijo que, en su mayor parte, los operadores optan por hacer que las pestañas sean más sólidas para garantizar la estabilidad del proceso; el potencial de un choque en la cabeza es mucho peor que un proceso de eliminación del anidamiento ligeramente menos eficiente. Pero los programadores también se aseguran de no abusar de las pestañas y hacer que agitar y romper sea más difícil de lo necesario.

El corte de esqueleto también juega un papel. El corte esquelético es una práctica estándar en las mesas de plasma y oxicorte que cortan placas gruesas; es una forma más rápida de retirar chatarra y no ata una grúa. Para el corte por láser de láminas o placas delgadas, ha sido una historia diferente, hasta que, es decir, la velocidad de corte extrema ha hecho que esas pulgadas adicionales de corte, hechas para cortar el esqueleto, sean esencialmente irrelevantes. Una vez más, debido a que los láseres de ultra alta potencia son tan rápidos, cortar partes del esqueleto, lo que facilita tanto la eliminación del anidamiento como la recolección de desechos, se convierte en una obviedad.

Identificación de piezas. Una pieza perdida dificulta doblemente el rendimiento. La operación dedica tiempo a cortar la pieza, buscarla y posiblemente volver a cortarla si no se encuentra. Para algunos trabajos en Raytec, un ligero cambio en la ubicación del orificio puede ser todo lo que diferencie una parte de otra.

La operación aborda la identificación de piezas en varios frentes. Primero, marca con láser las piezas en la máquina cuando puede. En segundo lugar, Raytec no depende únicamente del corte por láser para sus necesidades de troquelado. También tiene una punzonadora/cizalla Prima Power completamente automatizada. Algo de esto tiene que ver con características formadas como relieves que solo las herramientas de punzonado pueden crear. El punzón/cizalla también tiene roscado integrado. Pero también tiene que ver con los desafíos de identificación de piezas que, como explicó Zimmerman, la clasificación automática de la punzonadora/cizalla ayuda a superar. Es cierto que las piezas se envían por uno de los cuatro conductos; no están apilados ordenadamente. De todos modos, las piezas se separan automáticamente de la chatarra, que a su vez se corta y se envía a un contenedor final para su reciclaje.

Esta pieza de 0,75 pulgadas de espesor en la condición de corte se cortó con láser con una mezcla de gas de nitrógeno y oxígeno.

"Esa máquina procesa muchas partes donde, cuando las miras, apenas puedes diferenciarlas", dijo Zimmerman. "Las ubicaciones de los orificios son muy similares. Pero [en la punzonadora/cizalla] con la separación automática, no tenemos que preocuparnos por clasificar estas piezas".

Capacidad de formación. Raytec tiene soldadura por puntos e inserción de herrajes, pero las instalaciones de New Holland no tienen un departamento de soldadura, lo cual es una limitación común en el ciclo de corte, forma, soldadura, esmerilado, acabado y envío. La empresa ofrece conformado con cinco prensas plegadoras; una plegadora CNC; y su inversión en conformado más reciente y más grande hasta la fecha, un centro de conformado robótico TRUMPF diseñado para el doblado de piezas pequeñas.

"Esto nos permitió eliminar las tediosas y lentas piezas pequeñas de nuestras otras prensas plegadoras y automatizar por completo nuestra operación de plegado de piezas pequeñas", dijo Zimmerman. "Ha sido un salvavidas para nuestra formación de piezas pequeñas. Estamos operando esa cosa las 24 horas del día".

Reconoció que, sí, con la enorme capacidad de corte del taller, el doblado sigue siendo la operación de restricción, pero la combinación de tecnologías de formación hace que esa restricción sea mucho menos severa. De hecho, tanto el plegado automático de piezas pequeñas como la plegadora eliminan el trabajo menos productivo en las prensas plegadoras CNC convencionales. Gracias a la plegadora, los operadores de frenos no tienen que esforzarse para sostener una pieza grande mientras se eleva para formar una brida estrecha; Gracias al freno robótico para piezas pequeñas, tampoco es necesario amarrar una amplia cama de plegadora con un punzón estrecho y un juego de troqueles para doblar soportes pequeños.

La combinación de tecnología de formación ayuda a mantener el flujo. Y con tanta capacidad de troquelado, la empresa podría agregar incluso más prensas plegadoras y otros equipos de formación para aumentar aún más el rendimiento.

“Cuando comenzó la pandemia, no estábamos seguros de qué esperar”, dijo Zimmerman. "Nuestra inclinación natural era retroceder, porque iban a pasar cosas malas con tanta interrupción del mercado. Pero hemos experimentado lo contrario. Para casi todos los segmentos comerciales a los que servimos, ha estado muy ocupado. De hecho, algunos meses estuvimos impulsando un crecimiento interanual del 40 %".

Para fin de año, los ingresos de 2020 podrían superar los ingresos de 2019 entre un 20 % y un 25 %. La planta de New Holland emplea solo a 15 personas y la empresa tiene 46 empleados en todas las instalaciones.

"Nos sentimos muy afortunados y bendecidos. Y estábamos muy contentos de tener el equipo que tenemos. Pudimos aumentar el rendimiento sin tener que aumentar la mano de obra".

En pocas palabras, esa ha sido la historia de la fabricación de metales: aumentar el rendimiento (ventas) por empleado hace que cada empleado sea más crítico para el éxito del taller, y la tecnología les ha dado a esos empleados las herramientas para lograr ese éxito.

Un láser de 15 kW en Raytec LLC realiza una perforación. Para proteger la óptica sensible de las salpicaduras, la cubierta de vidrio está empotrada.