Mecanizado de Alta Energía

7/31/2019 Mecanizado de Alta Energa

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Mecanizado de Alta

Energa.Lser y Haz de electrones.


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Lser. Introduccin. 1916Einstein establece los fundamentos para el

desarrollo del lser y sus predecesores,los mseres (emisores de microondas), mediante la LeyPlanck(emisin espontnea e inducida de radiacin).

1928 Landenburg obtuvo la primera evidencia delfenmeno de emisin estimulada de radiacin, pero lateora fue olvidada hasta despus de la Segunda Guerra

Mundial, cuando se demostr definitivamente por WillisLamb y Rutherford. 1953 Townes y los estudiantes de postgrado James P.

Gordon y Herbert J. Zeiger construyen el primer mser,que funcionaba con los mismos principios fsicos que ellser pero produce un haz coherente de microondas.El mser de Townes NO funcionaba en continuo.

1964 Townes, Bsov y Prjorov comparten el PremioNobel de Fsica por "los trabajos fundamentales en elcampo de la electrnica cuntica", que condujeron a laconstruccin de osciladores y amplificadores basados en losprincipios de los mser-lser.


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Lser. Introduccin.

16 de mayo de 1960 Se construye el primer lser, unode rub. Construido por Theodore Maiman.

1962 Robert Hall inventa el lser generado porsemiconductor.

1969 Se encuentra la primera aplicacin industrial dellser, siendo utilizado en las soldaduras de chapas en lafabricacin de vehculos

1970 Gordon Gould patenta otras muchas aplicacionesprcticas para el lser.

16 de mayo de 1980 Fsicos de la Universidad deHull liderados por Geoffrey Pret registran la primeraemisin lser en el rango de los rayos X. Pocos mesesdespus se comienza a comercializar el disco compacto.


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Lser. Introduccin.

1994 En Reino Unido, se utiliza por primeravez la tecnologa lser en cinemmetros paradetectar conductores con exceso de velocidad.Posteriormente se extiende su uso por todo elmundo.

En el siglo XXI En la Universidad St.Andrews crean un lser que puede manipularobjetos muy pequeos. Al mismo tiempo,cientficos japoneses crean objetos del tamaode un glbulo rojo utilizando el lser.

2002 Cientficos australianos"teletransportan" con xito un haz de luz lserde un lugar a otro.

2004 El escner lser permite al MuseoBritnico efectuar exhibiciones virtuales.

2006 Cientficos de Intel descubren la formade trabajar con un chip lser hecho con silicio.


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Qu es el LASER?

'LASER' son las siglas de 'Light Amplification byStimulated Emission of Radiation', que en castellanosignifica Amplificacin de luz mediante emisinestimulada de radiacin.

Un haz LASER es una radiacin no ionizante, pues suinteraccin con la materia no genera iones debido ya quesu contenido energtico es relativamente bajo y abarca elespectro ultravioleta (100 380nm), luz visible (380-780nm) e Infrarrojo (780nm 1mm).

Es una fuente luminosa con dos propiedades muyespeciales e importantes de su luz, coherenciaespacial y coherencia temporal.


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Principio deFuncionamiento.

Los lseres obligan a los tomos a almacenar luz y emitirla enforma coherente, de la siguiente manera:

1. Los electrones de los tomos del lser son bombeados hasta unestado excitado por una fuente de energa.

2. Se los estimula mediante fotones externos para que emitan laenerga almacenada en forma de fotones, mediante un proceso

conocido como emisin estimulada.3. Los fotones emitidos tienen una frecuencia que depende de lostomos en cuestin y se desplazan en fase con los fotones que losestimulan.

4. Los fotones emitidos chocan con otros tomos excitados y liberannuevos fotones.

5. La luz se amplifica a medida que los fotones se desplazan haciaatrs y hacia adelante entre dos espejos paralelos desencadenandonuevas emisiones estimuladas.

6. La luz lser, intensa, direccional y monocromtica, se filtra por unode los espejos, que es slo parcialmente reflectante.


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Componentes de un Lser. Bombeo de energa:

En el lser el bombeo puede ser elctrico u ptico, mediante tubos de flash oluz.Puede provocarse mediante una fuente de radiacin como una lmpara, elpaso de una corriente elctrica, o el uso de cualquier otro tipo de fuenteenergtica que provoque una emisin.

Resonador ptico:

Est compuesto por dos espejos que logran la amplificacin y a su vez crean laluz lser. Dos tipos de resonadores: Resonador estable, emite un nico hazlser, y Resonador Inestable, emite varios haces.

Emisin estimulada de radiacin.La emisin estimulada, base de la generacin de radiacin de un lser, seproduce cuando un tomo en estado excitado recibe un estmulo externo quelo lleva a emitir fotones y as retornar a un estado menos excitado.


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Clasificacin del Lser. Clase 1: seguros en condiciones razonables de

utilizacin. Clase 1M: como la Clase 1, pero no seguros cuando se

miran a travs de instrumentos pticos como lupas obinoculares.

Clase 2: lseres visibles (400 a 700 nm). Los reflejosde aversin protegen el ojo aunque se utilicen coninstrumentos pticos.

Clase 2M: como la Clase 2, pero no seguros cuando seutilizan instrumentos pticos.

Clase 3R: lseres cuya visin directa espotencialmente peligrosa pero el riesgo es menor ynecesitan menos requisitos de fabricacin y medidasde control que la Clase 3B.

Clase 3B: la visin directa del haz es siemprepeligrosa, mientras que la reflexin difusa es

normalmente segura. Clase 4: La ex osicin directa de o os iel siem re


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Tipos de Lser. Lseres de estado slido.

Los medios ms comunes en loslseres de estado slido son varillas decristal de rub o vidrios y cristales conimpurezas de neodimio.

Los extremos se tallan de forma quesus superficies sean paralelas y serecubren con una capa reflectante nometlica.

Proporcionan las emisiones de mayor

energa.Normalmente funcionan por pulsos,generando un destello de luz duranteun tiempo breve. Se han logradopulsos de slo 1,2 10-14 seg. tilespara estudiar fenmenos fsicos deduracin muy corta. El bombeo se

realiza mediante luz de tubos dedestello de xenn, lmparas de arco olmparas de vapor metlico.

La gama de frecuencias va desde elinfrarrojo (IR) hasta el ultravioleta(UV) al multiplicar la frecuenciaoriginal del lser con cristales de

dihidrogenofosfato de potasio.

Lseres de semiconductores.

Son los ms compactos, y suelen estarformados por una unin entre capasde semiconductores con diferentespropiedades de conduccin elctrica.

La cavidad del lser se mantieneconfinada en la zona de la uninmediante dos lmites reflectantes.

El arseniuro de galio es elsemiconductor ms usado.

Los lseres de semiconductores sebombean mediante la aplicacindirecta de corriente elctrica a launin, y pueden funcionar en modoCW con una eficiencia superior al 50%.

Se ha diseado un mtodo quepermite un uso de la energa an ms

eficiente.Implica el montaje vertical de lseresminsculos, con una densidad superioral milln por centmetro cuadrado.

Entre los usos ms comunes de loslseres de semiconductores estn losreproductores de discos compactos.


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Tipos de Lser. Lseres de gas.

El medio de un lser de gas puede ser un gas puro, una mezcla de gases oincluso un vapor metlico, y suele estar contenido en un tubo cilndrico devidrio o cuarzo.En el exterior de los extremos del tubo se sitan dos espejos para formar lacavidad del lser.Los lseres de gas son bombeados por luz ultravioleta, haces de electrones,corrientes elctricas o reacciones qumicas.El lser de helio-nen resalta por su elevada estabilidad de frecuencia, pureza

de color y mnima dispersin del haz. Los lseres de dixido de carbono sonmuy eficientes, y son los lseres de onda continua (CW, siglas en ingls) mspotentes.


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Aplicaciones. Medicina: Operaciones sin sangre, tratamientos quirrgicos, ayudas a la

cicatrizacin de heridas, tratamientos de piedras en el rin, operaciones de

vista, operaciones odontolgicas. Industria: Cortado, guiado de maquinaria y robots de fabricacin,

mediciones de distancias precisas mediante lser. Defensa: Guiado misiles balsticos, alternativa al Radar, cegado a las tropas

enemigas. En el caso del Tactical High Energy Laser (THEL) se estempezando a usar el lser como destructor de blancos.

Ingeniera Civil: Guiado de mquinas tuneladoras en el interior de tneles,as como diferentes aplicaciones en la topografa, como mediciones dedistancias a lugares inaccesibles o realizacin de un modelo digital delterreno (MDT).

Arquitectura: Catalogacin de Patrimonio. Arqueolgico: Documentacin.

Investigacin: Espectroscopia, Interferometra lser, LIDAR,distanciometra. Desarrollo de productos comerciales: Impresoras lser, CD, ratones

pticos, lectores de cdigo de barras, punteros lser, termmetros,hologramas, aplicaciones en iluminacin de espectculos.

Tratamientos cosmticos y ciruga esttica: Tratamientos de Acn,

celulitis, tratamiento de las estras, depilacin. Etc.


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Mecanizado Industrial conLser

Es un proceso especial o proceso no convencional demecanizado de ndole trmico, que nogenera viruta.

La eliminacin del material se produce porla fusin y vaporizacin del mismo al concentrar en

zonas localizadas elevadas temperaturas. El mecanizado con lser, comparado con los procesos

convencionales de arranque de viruta, presenta unamejor precisin y acabado superficial (rugosidad),siempre y cuando no lo comparemos con los procesosde superacabado.

Otros aspectos importantes son que se pueden obtenerdeterminadas formas complejas no obtenibles porprocesos convencionales, y que se pueden mecanizarmateriales muy duros.


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Caractersticas del proceso. Se basa en la generacin de un haz lser de elevada

potencia que es dirigido hasta a la pieza a mecanizarmediante un sistema de espejos de reflexin de altaprecisin y una lente de enfoque convergente.

En la zona de incidencia del rayo se consigue una elevadadensidad de energa trmica concentrada que produce lavolatilizacin del material.

Una de las ventajas que aporta este proceso es la de podermecanizar microorificios con relaciones deprofundidad-dimetro de 20:1 a 10:1, siendo eldimetro mnimo alcanzable de unos 0,1 milmetros.

No se producen desgastes, roturas ni colisiones de la

herramienta de corte. Es fundamental para la mecanizacin por lser

la absorcin de la radiacin del lser en el material debase o en una capa de recubrimiento. La absorcindepende de la longitud de onda, del tipo de lser y delmaterial.


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Proceso de Mecanizado. El lser refuerza la luz mediante absorcin e irradiacin de energa.

La energa se produce a travs de la luz (lmparas de rayoso diodo lser), o mediante una descarga elctrica. La barra de cristal o el gas, anteriormente activado por el lser, son

dirigidos entre dos espejos, produciendo un resonador de luz queproporciona al haz lser una direccin determinada.

Una proporcin de la luz del lser pasa por un espejo parcialmentetraslcido y se queda a disposicin de la mecanizacin del material.

El haz lser erosiona el material en varias capas, obteniendo deeste modo, la geometra y profundidad requeridas.

La alta densidad de energa y la alta temperatura del rayo en elpunto de enfoque o punto focal, eliminan el material mediantefusin, vaporizndose y siendo casi siempre necesaria la proteccinde la zona de mecanizado con un gas inerte de aporte.


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Equipo necesario. Obviamente, es necesario un equipo de rayos lser, dotado de una fuente de

alimentacin y de un sistema de refrigeracin. Los lseres empleados habitualmente son el de CO2, entre los gaseosos (gas

lser), y el lser Nd-YAG (lser de neodimio con un cristal de granate(mineral) de ytrio, y aluminio de cuerpo fijo bombeado por diodos), entre losde estado slido. stos permiten una potencia media de lser de 100 vatios,siendo los picos de potencia de 20 kilovatios.

Tambin es necesario acompaar el mecanizado mediante haz lser con unflujo de gas que elimina el material sobrante y protege las lentes focalizadoras.

Normalmente este gas suele ser aire, para materiales no metlicos, ya que noexiste peligro de oxidacin. Para materiales metlicos se suelenemplear gases inertes como por ejemplo el argn.

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Materiales a los que se puedeaplicar.

Acero en General:Tipos: SAE 1010, 1020, 1045; Diamantada,

T1 360/500hB; BORA; Zinc/Alum,

Galvanizado, Laina Acerada (Fleje azul),Templado; Cromo Nquel; Acero Rpido; etc.Espesores: desde: 0,1mm Hasta: 20mm.Tolerancias:

Desde: 0,1mm Hasta: 6mm.:0,2mm.

Desde: 8mm Hasta: 10 mm.:0,3mm.

Desde: 12mm Hasta: 20 mm.:0,5mm.

Acero Inoxidable:Tipos: AISI 302, 304, 310, 316, 420, 430,Diamantada, etc.Espesores: desde: 0,1mm Hasta: 12mm.Tolerancias:


Desde: 8mm Hasta: 12mm.: 0,5mm. Aluminio:Tipos: Temple H.Espesores: desde: 0,1mm Hasta: 10mm.Tolerancias:


Desde: 6mm Hasta: 12mm.: 0,3mm.

Cobre:Todos los Tipos.

Bronce:Tipos: SAE 7030, 8015Espesores: desde: 0,1mm Hasta: 3mm.Tolerancias: desde: 0,1mm Hasta: 3mm.:0,2mm.

Maderas:Tipos: Aglomerados en General(MDF/Trupn; Masisa, Terciado; otros);Nativas, Formalita; etc.Espesores: desde: 0,1mm Hasta: 35mm.Tolerancias:

Desde: 0,1mm Hasta: 10mm.:0,5mm.Desde: 12mm Hasta: 20mm.:

0,8mm.Desde: 22mm Hasta: 35mm.: 1mm

Acrlicos:Todos los tipos, colores y texturas.Espesores: desde: 0,1mm Hasta: 35mm.Tolerancias:


Desde: 12mm Hasta: 20mm.:0,5mm.

Desde: 22mm Hasta: 35mm.:0,8mm

Otros Materiales:Durocotn, Cartn, Technyl, Cuero, etc.


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Operaciones con Lser. Grabacin por lser.

Cuando se realiza este proceso demecanizado, el material de basese vaporiza por la radiacin delhaz lser, por lo tanto, laintensidad de la radiacin lserdeber superar un valor lmite.

ste se llama el valor umbral y suintensidad es muy grande enmateriales que poseenalta conductividad elctrica.A causa del perfil del haz y dela conductividad trmica en elmaterial, se produce unaprofundizacin del rayo en forma

cnica.Es el mtodo ms rpido delmecanizado con lser.

Taladrado de agujeros.Pueden llegar hasta 0,1 milmetrosde dimetro con relaciones deprofundidad-dimetro de 20:1,pudindose realizar taladros conun grado de inclinacindeterminado respecto a la

superficie de entrada.Los taladros tienden a ser cnicos,no permitiendo grandesprofundidades, y no puedenobtenerse agujeros escalonados.


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Operaciones con Lser

Corte lser:El corte por lser es un mecanizado sin contacto delmaterial y libre de fuerzas que permite realizar cortes decualquier geometra:

Corte bidimensional (2D):

En la operacin de corte se divide un material en forma deplaca mediante un rayo lser dirigido. El haz realiza undesplazamiento relativo a la pieza. En el corte de losmetales suelen quedar marcas en forma de estras y no sepermite el corte de grandes espesores.

Corte tridimensional (3D):

Este sistema se emplea en campos que requieren granprecisin y es utilizado por el sector del automvil para elcorte de piezas de interior como apoyabrazos, columnas,material decorativo o piezas de exterior como depsitos degasolina.


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Operaciones con Lser. Templado (revenido).

Si se calienta el metal,ste se tie por el efectodel temple, que seproduce por los cambiosde la textura de la capa

externa.La coloracin o el tintedependen de latemperatura mxima quese consigue.Con la tecnologa lser se

puede calentar superficiesde manera controlada as,pueden crearse coloresclaros y oscuros detemplado.

Quemado.Los metales se puedenrotular mucho mejorquemando por insercinlas capas externas delmaterial con polvo

cermico.A la capa superficial se leaplica un procedimiento depulverizacin que vuelve aquitarse tras el grabado.ste proceso provoca

oxidacin en la superficiedel metal.


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Operaciones con Lser. Espumado.

Cuando se mecaniza por lserdeterminados plsticos, seproduce un espumado.

El haz lser funde la capa

superficial del plstico,produciendo burbujas de gasque al enfriarse el materialquedan cerradas.

Gracias al gas encerrado seforma el volumen y los puntosque se han mecanizado por elrayo lser quedan visibles enrelieve.

Viraje de color yblanqueamiento.

Este efecto solo es posibleconseguirlo con plsticos ydepende de la longitud de

onda de la radiacin lser.La radiacin lser penetra enel material y es absorbidaen pigmentos.

Si stos se modificanqumicamente, se produce uncambio en la coloracin delmaterial.


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Operaciones con Lser. Marcado por lser

Este proceso se utiliza paramarcar materiales como elmetal, plsticos y cueromediante un sistema derotulacin lser.Estos sistemas de rotulacinson adecuados para la

aplicacin de cdigos debarras, nmeros de serie yfechas de fabricacin enproductos y piezasindividuales.Las ventajas de estesubproceso son la seguridad,

la rentabilidad y la rapidez demarcado.Puesto que la radiacin lserpenetra en el plstico, lasuperficie tiene un acabadoprcticamente sin defectos.

Ablacin lserLa ablacin lser es unproceso que se utiliza paraextraer o limpiar el material dela superficie de un slidomediante la irradiacin de estecon un haz lser.

Soldadura lserLa ablacin lser es unproceso que se utiliza paraextraer o limpiar el

material de la superficie deun slido mediante lairradiacin de este con unhaz lser.


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Ventajas del mecanizado con lser.

Este mecanizado es rpido y productivo. Las cortaduras por lser son de aplicacin flexible. Los trabajos

grandes de corte se pueden realizar de forma fcil y rentable, comoproducciones en masa.

Son adecuadas para el corte con lser tanto piezas muy pequeascomo objetos de grandes dimensiones (no existe limitacin de

tamao). El mecanizado por lser es muy seguro, el material no necesita serfijado ni enderezado. Los usuarios no entran nunca en contacto conpiezas mviles o abiertas de mquinas.

El corte por lser es especialmente sencillo, los principiantes eneste proceso pueden conseguir un corte perfecto.

Esta tcnica es muy limpia, con ella se consiguen rebordes

agudos sin deshilachamientos. En el mecanizado por lser no hay contacto entre herramienta

y pieza, as se evita que se produzcan fallos, roturas y desgastes. Con este proceso se pueden obtener paredes verticales y acabados

de esquinas vivas.

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