Mitos del láser: lo que los fabricantes no saben puede dañar el proceso

Los láseres a menudo se utilizan para unir aplicaciones en la fabricación de automóviles. El monitoreo del sistema láser ayuda a garantizar procesos de unión consistentes y de alta calidad.

La aplicación de láseres de alta potencia es cada vez más común en entornos industriales, como la sinterización en la fabricación aditiva, la unión de componentes de carrocería en la industria automotriz y el taladrado y corte de componentes aeroespaciales. A medida que se descubren y desarrollan más aplicaciones de estos láseres, más fabricantes se dan cuenta de lo confiables y repetibles que pueden ser los sistemas láser industriales.

Como cualquier otra máquina herramienta, las tecnologías que rodean al sistema láser han avanzado significativamente en las últimas décadas. Sin embargo, todavía existen muchos mitos en torno al empleo, la operación y el mantenimiento de un láser industrial. Separar la realidad de la ficción es fundamental para garantizar un proceso láser de alta calidad.

El uso de un láser como herramienta industrial se remonta casi a la aparición del propio láser. El láser de CO2 solía ser el caballo de batalla de la fabricación de láser con su potencia bruta, costos operativos relativamente económicos y facilidad de mantenimiento. Cientos de miles todavía están en uso hoy en día.

La década de 1980 vio la introducción del láser de fibra como una herramienta industrial y ha cambiado el panorama de la fabricación de láser industrial. El láser de fibra trajo varios beneficios, como una mayor eficiencia de enchufe de pared, una mejor calidad del haz y un menor mantenimiento, en comparación con los láseres de CO2 bien establecidos. Pero las primeras generaciones de láser de fibra eran caras, no producían la potencia necesaria para las aplicaciones de láser industrial y eran difíciles de mantener. Los fabricantes de láser de fibra han superado la mayoría de estos obstáculos y ahora ofrecen fuentes y sistemas que son más prácticos.

A pesar de lo confiables y de alta calidad que se han vuelto los sistemas láser actuales, el usuario podría verse tentado a ignorar el hecho de que el sistema todavía está hecho de partes físicas con propiedades físicas. Los sistemas láser comprenden componentes mecánicos y eléctricos que se degradan o fallan después de un uso periódico. Cuando estos láseres se utilizan en entornos industriales hostiles llenos de desechos del proceso, la degradación y falla de los componentes se multiplican, lo que resulta en una disminución de la eficiencia y un aumento de los costos operativos.

Los diseñadores de sistemas se han vuelto creativos en la gestión de los desechos del proceso. Sin embargo, sin medir el rendimiento del sistema láser, el usuario no puede comprender los efectos completos de las degradaciones de estos componentes del sistema o cómo y cuándo tomar medidas para maximizar la eficiencia del sistema.

Los sistemas láser requieren importantes inversiones financieras para producir piezas de la manera más rápida y eficiente posible. El mantenimiento periódico del sistema es necesario, pero el deseo obvio de maximizar el retorno de la inversión (ROI) significa minimizar el tiempo que lleva mantener el sistema. Un sistema de medición del rendimiento del láser puede proporcionar una indicación rápida del rendimiento del láser y ayudar en el desarrollo de una rutina de mantenimiento del láser más completa.

En las aplicaciones de láser de CO2, cuando un láser comienza a desviarse de su proceso optimizado, un usuario de láser puede verse tentado a aumentar la potencia para seguir procesando piezas sin abordar por qué el láser está perdiendo eficiencia. Lo que podría estar sucediendo es un aumento del efecto térmico en el sistema láser causado por una óptica envejecida, dañada o contaminada, generalmente cerca del proceso. El efecto térmico hace que el punto enfocado se desplace hacia arriba, lo que da como resultado una menor densidad de potencia.

La instrumentación de perfilado de haces permite a los usuarios finales ajustar sus procesos láser para lograr una irradiación precisa que sea suficiente para la tarea, pero no demasiado intensa como para que una soldadura, por ejemplo, se sobrecaliente y produzca resultados menos óptimos. Las herramientas de medición láser actuales ayudan a los usuarios a comprender el rendimiento de su luz láser ya optimizar la operación y el mantenimiento de sus sistemas.

En una nota relacionada, los fabricantes deben conocer la principal diferencia entre los láseres de CO2 y los láseres de fibra. Los láseres de CO2 funcionan a una longitud de onda muy tolerante de 10,6 µm. La óptica de estos láseres es robusta, menos susceptible a daños por los desechos del proceso circundante y más fácil de mantener. Los láseres de fibra, disco y diodo modernos funcionan cerca de una longitud de onda de 1 µm. Las ópticas utilizadas en estos láseres son más susceptibles a daños por los desechos producidos en sus entornos industriales hostiles y deben manejarse con extremo cuidado cuando se reemplazan. Algunos operadores de láser confían en la práctica heredada de cambiar la óptica del láser de CO2, pero estas prácticas en última instancia pueden dañar los cabezales de procesamiento de sus láseres de longitud de onda de 1 µm.

Los sistemas de fabricación aditiva basados ​​en láser requieren potencias de salida precisas y tamaños de punto enfocados en el proceso para producir piezas de calidad de manera constante.

Este mito de que el retorno de la inversión con un sistema de medición láser es bajo tiene sus raíces en la idea errónea de que estos sistemas son caros y difíciles de configurar y usar. Además, muchos fabricantes piensan que, si bien es bueno tener un equipo de medición láser, es posible que no brinde información útil o relevante para la aplicación.

Históricamente, el costo de comprar sistemas de medición láser era alto. Cuando los productos electrónicos de medición láser comenzaron a aparecer en escena en la década de 1970, se usaban principalmente en laboratorios científicos y entornos altamente controlados. La información que proporcionaron fue particularmente útil, pero el costo de propiedad permitió que solo las organizaciones bien financiadas tuvieran estas herramientas.

Hoy en día, con los avances en las tecnologías de las cámaras, los componentes ópticos, las redes y las tecnologías de la comunicación, además de la potencia informática y el software, los productos de medición láser son más pequeños, más rápidos y más económicos. Los medidores de potencia láser y los productos de perfilado de haz se han convertido en herramientas de mantenimiento rentables que pueden integrarse directamente en las celdas de trabajo láser. Por ejemplo, es cada vez más común que los fabricantes de automóviles integren una combinación industrial de medición de potencia y un dispositivo de perfilado de haz en sus celdas de trabajo para monitorear el rendimiento del láser para el análisis de tendencias, la trazabilidad de procesos y una predicción de mantenimiento más inteligente.

Además de las mejoras de costos, varios avances permiten una operación más sencilla de estos productos. Los sistemas de medición láser actuales tienen en cuenta las necesidades de los integradores de sistemas, los operadores y el personal de mantenimiento. Por ejemplo, emplean protocolos de comunicación estándar de la industria y están diseñados con conexiones de hardware industriales resistentes. También incluyen mejoras de seguridad para proteger contra daños por desechos del proceso y sobrecalentamiento. Los medidores de potencia láser y los productos de perfilado de haces se usan ampliamente en campos científicos y de investigación y, a menudo, están diseñados para esos entornos. Estos productos también se aplican en ámbitos industriales debido a la información relevante sobre el rendimiento del láser que proporcionan. Debido a esto, sus diseños se han adaptado a entornos de producción más duros.

No es raro escuchar al personal de láser en la industria decir: "Este proceso de láser es tan robusto que rara vez hay algo que salga mal" o "Este láser está soldando láminas de metal, entonces, ¿por qué debería preocuparme por su rendimiento?" En algunos casos, se desarrolla e implementa una aplicación láser y simplemente se supone que el rendimiento se mantiene constante hasta que algo sale mal. Esa no es la mejor manera de gestionar un proceso. Además, es especialmente preocupante escuchar estas declaraciones hechas por personas en aplicaciones de alta precisión, como la fabricación de automóviles, que ponen tanto énfasis en la seguridad y la calidad.

Sin embargo, la realidad del mundo de la fabricación es que el impulso por la seguridad y la calidad se contrarresta con el constante redoble de reducir los costos operativos. Pero esto a veces puede ser difícil, especialmente para aplicaciones láser, como la soldadura de materiales altamente reflectantes, en los que lograr un proceso láser consistente no siempre es fácil. Para garantizar que el láser funcione de manera constante a lo largo del tiempo, se deben tomar, analizar y actuar medidas clave de rendimiento. Cuando se desconocen estos parámetros láser, el proceso puede desviarse y, en última instancia, dar como resultado piezas desechadas. Por ejemplo, si el punto enfocado en una aplicación de soldadura de cobre se desplaza de su posición diseñada, puede ocurrir una pérdida de penetración de la soldadura debido al aumento del tamaño del haz en el punto de proceso. Si se realiza un seguimiento del cambio de enfoque en el sistema láser, se puede evitar esta desviación.

La sostenibilidad también es una consideración importante. Las empresas manufactureras están buscando formas de consumir recursos de manera más inteligente para reducir el impacto en el planeta. Cualquiera que haya estado involucrado en estas iniciativas sabe que cada pequeña mejora en un proceso ayuda.

La medición, el seguimiento y el análisis del rendimiento del láser y la adopción de medidas para mantener un rendimiento del láser uniforme pueden contribuir a la sostenibilidad. Un sistema láser con el mantenimiento adecuado consume menos energía y maximiza el rendimiento, lo que no solo es bueno para reducir los costos operativos, sino también para el planeta.

La filosofía de "no arregles lo que no está roto" está viva y bien en la fabricación. Por ejemplo, parte del personal de servicio de láser todavía usa herramientas muy simples para mantener y solucionar problemas de láser. Los "power pucks" láser, los bloques de modo acrílico y las placas fluorescentes recubiertas de fósforo son rápidos y fáciles de usar, pero estos productos heredados pintan una imagen incompleta de cómo funciona el láser en un momento dado.

Con estos métodos primitivos, se dispara un láser a un dispositivo térmico a granel durante varios segundos, lo que produce un solo número correspondiente a la potencia de salida. El rayo láser se refleja en un bloque acrílico o una placa fluorescente y se analiza subjetivamente sin datos de tendencias ni estándares de medición de la industria. Los productos electrónicos de medición láser de hoy en día proporcionan mediciones basadas en el tiempo, que permiten el análisis de tendencias a corto o largo plazo del rendimiento del láser. Están calibrados contra estándares trazables por NIST y utilizan métodos de medición de haz que cumplen con ISO. Esto proporciona al usuario un análisis más completo de las características del láser y confianza en la precisión de las mediciones.

En esta era de Industria 4.0, la demanda de retroalimentación de las máquinas herramienta está demostrando ser muy valiosa para mejorar el procesamiento industrial. El láser, visto como una máquina herramienta, no es una excepción. Los productos ahora pueden proporcionar información sobre las características de rendimiento del láser con un par de enfoques diferentes. La medición en proceso o "in situ" puede proporcionar información en tiempo real sobre el funcionamiento del láser, pero a menudo solo analiza una parte del sistema láser, lo que limita la información que se puede suministrar. Por otro lado, los productos de medición en el proceso brindan un análisis más completo de cómo se está desempeñando el láser en el punto de procesamiento; sin embargo, estos productos deben usarse entre corridas parciales, por lo que la información resultante no es en tiempo real. De cualquier manera, tener información sobre el rendimiento del láser siempre es mejor que ningún análisis al considerar la mejora del proceso.

El trabajo del operador de láser es lo suficientemente desafiante sin tener acceso a los datos de rendimiento del láser. La medición, el seguimiento y el análisis de las tendencias de rendimiento a largo plazo pueden ayudarlos a operar y mantener mejor sus sistemas láser y solucionar rápidamente los problemas cuando surjan.