Tecnologias laser

Tecnologías Láser
(V.M. Orera, ICMA)
Donde pone el ojo pone la bala. El láser es una herramienta que permite depositar
energía sobre un material prácticamente en el lugar, en el momento y en la cantidad que
se desee. Esta virtud lo hace especialmente indicado cuando se busca la máxima
precisión, la mayor temperatura y la limpieza óptima. Desde que en los años 70 los
primeros láseres comenzaron a llegar a la industria, el láser se ha ido consolidando como
una alternativa económicamente viable a muchas de las técnicas convencionales de
procesado y preparación de materiales. Así lo atestigua el ritmo tan acelerado con el que
estas técnologías se está implantando en nuestros talleres y fábricas. La industria del
automóvil, textil, metalurgica, etc. utiliza de forma masiva láseres movidos por robots
que se pueden contar por centenares en nuestro entorno industrial más inmediato.
Veamos algunas aplicaciones de los láseres en tecnología de materiales. La
posibilidad de concentrar una gran densidad de potencia permite producir la ablación del
material. Dentro de las aplicaciones en las que se puede aprovechar el mecanismo de
ablación láser estaría el marcaje y mecanizado de superficies (cerámicas, vidrio, metales,
polímeros, papel,…). Siendo el láser una herramienta insustituible por su limpieza,
capacidad y precisión. También se utilizan pulsos intensos y muy cortos de láser para
evaporar pequeñas porciones del material y así formar un plasma del compuesto que
luego puede ser depositado en forma de capas finas en un substrato. Por último, la
técnica de ablación láser también está siendo empleada para la limpieza y restauración de
patrimonio cultural. Hasta ahora, las técnicas empleadas se han basado en la aplicación
directa de productos químicos, diferentes formas de lavado, y procesos de limpieza
mecánicos. Sin embargo, además de limpiar, estas técnicas causan generalmente
variaciones importantes en la composición y estructura de las superficies tratadas, por no
mencionar el impacto medioambiental y el riesgo para la salud del operador. La ablación
láser presenta muchas ventajas respecto a las técnicas convencionales, principalmente la
capacidad de eliminar pintura (graffitis, etc) o suciedad sin dañar el substrato, y también
por su comportamiento benigno frente al medio ambiente.
La fusión de materiales asistida con láser ha permitido soldar materiales, crecer
cristales, fabricar vidrios y modificar las superficies mediante aleado o aplicando una
capa que actúe de recubrimiento. El láser utilizado como fuente de calentamiento local
permite modificar las propiedades ópticas, crear cambios estructurales, inducir procesos
de cristalización, sinterización, e incluso endurecimiento de materiales.
En Aragón tenemos un grupo especializado en el desarrollo de estas tecnologías.
El grupo de Materiales Procesados por láser (MPL) es un grupo de investigación
marcadamente multidisciplinar. Está formado por 26 investigadores incluyendo Físicos,
Químicos e Ingenieros procedentes de 3 Centros de la Universidad de Zaragoza , C.P.S.,
E.U.I.T.I.Z y Facultad de Ciencias y de 2 Centros del C.S.I.C., Instituto de Carboquímica
(ICB) del de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA). Su objetivo principal es el
estudio de los distintos procesos que tienen lugar en la interacción láser-materia y la
posterior caracterización estructural, microestructural, electrónica, mecánica, óptica,
fonónica, etc., de los materiales procesados.
El MPL, en colaboración con empresas de los sectores cerámico, metal, vidrio,
etc., lleva a cabo una intensa actividad en la investigación y desarrollo de técnicas de
corte de cerámicas para el sector electrónico, ornamental y azulejos, corte de metales,
limpieza de aceros y piedra, grabado en vidrios, madera y cerámica, etc. habiéndose
realizado muchos proyectos con empresas de dichos sectores, algunos en curso, y
descubierto y patentado nuevos procedimientos de fabricación. La ablación láser también
está siendo utilizada para producir nanotubos de Carbono de forma altamente eficiente y
competitiva.
Mediante la técnica de fusión por láser el grupo fabrica fibras y capas de cristales de
compuestos con alto punto de fusión, bien por encima de los 2200ºC, tales como circona,
zafiro, etc., y sus aleaciones, habiéndose conseguido materiales cerámicos compuestos de
alto interés tecnológico por sus excepcionales propiedades mecánicas. Otra línea de
trabajo relacionada con la fusión mediante láser consiste en la producción de
recubrimientos de metales para generar barreras antitérmicas, anticorrosivas, etc.
Utilizando la técnica de fusión por láser el grupo ha desarrollado una técnica original de
texturado de capas que está aplicando por ejemplo en la producción de compuestos
cerámica-metal CERMETS para ánodos de Pilas de Combustible.
La experiencia del grupo abarca diversas técnicas tales como:
- Corte de materiales refractarios, metales, materiales de construcción, materiales
compuestos para la industria aeronaútica, cerámicas para la industria electrónica y vidrio
- Ablación láser
- Grabado en metal, madera, vidrio y cerámica
- Limpieza de acero inoxidable, cerámica, metal, piedra...
- Nanotecnología: Producción de nanotubos de carbono y nanopartículas metálicas y
cerámicas
- Cerámicas tenaces: Producción de fibras y capas de cerámicas con altas prestaciones
mecánicas y resistentes a la corrosión y a la temperatura
- Fabricación de recubrimientos antitérmicos para turbinas
- Texturación y conformación de superconductores de alta Tc y de conductores iónicos
- Fabricación de CERMETS para la industria energética
- Pigmentos de alta temperatura para cerámicas
El grupo realiza varios proyectos de investigación y de puesta a punto de nuevas
tecnologías en colaboración con diversas empresas tales como:
Duglass Ariño, Grupo Julio Crespo, Esmaltes, Industria de Turbopropulsores (ITP),
NASA, Air Force, Airbus, Escuela Taller de Muel, Gres Aragón, Colorobia, Keraben,
EADS (Casa división espacio), ACP, Yesiforma, Productos Ruiz Alfaro, Instrumentación
y Componentes, INALSA.
El láser en Nanotecnología: Fabricación de Nanotubos de Carbono.
(Mª Teresa Martinez, ICB)
Los nanotubos de carbono, CNTs, son unos materiales fascinantes descubiertos en
1991 por el japonés Iijima y constituidos exclusivamente por átomos de carbono
dispuestos en redes hexagonales formando tubos de tamaño nanométrico. Sus potenciales
aplicaciones en los campos de los materiales compuestos, almacenamiento de Energía,
Física, Electrónica, Química y Biología molecular han despertado el interés de científicos
y técnicos de todo el mundo.
Son sistemas ligeros, huecos y porosos que tienen una resistencia mecánica 56
veces mayor que la del acero y casi el doble que las fibras de carburo de silicio por lo que
son muy interesantes para el refuerzo estructural de materiales de bajo peso, alta
resistencia mecánica y enorme elasticidad. Se están preparando "composites" tanto
poliméricos como cerámicos para su aplicación en piezas para automóviles o vehículos
espaciales, o como materiales de construcción resistentes a terremotos o para puentes.
Electrónicamente, se comportan como hilos cuánticos ideales monodimensionales
con comportamiento aislante, semiconductor o metálico dependiendo de los parámetros
geométricos del tubo. Son utilizables como aditivo conductor en plásticos para tuberías
de combustibles eliminando la electricidad estática. Son ideales como integrantes de
supercondensadores, baterías de Li-ion y placas bipolares de pilas de combustible en el
campo de la energía. También sirven para construir transistores de efecto de campo y
emisores de electrones.
Se está estudiando su aplicación en el reconocimiento de sistemas moleculares,
biosensores y en la fabricación de biomateriales estructurales, como huesos o músculos
artificiales.
Si bien el desarrollo de las aplicaciones de los CNTs abre enormes expectativas
como pone de manifiesto el crecimiento exponencial del número de patentes
internacionales basadas en su utilización. Hay todavía muchas cuestiones a resolver
como son el escalado industrial de la producción y la manipulación de estos materiales
que al ser de muy pequeño tamaño necesitan de instrumentación adecuada.
Las cerámicas más tenaces
(J.I. Peña, CPS)
Las cerámicas técnicas son materiales que ofrecen altas prestaciones para la
realización de diversas funciones debido a sus propiedades eléctricas, magnéticas,
químicas o mecánicas. En las cerámicas estructurales se explotan sus propiedades
mecánicas para producir componentes de alta resistencia o alta relación resistencia frente
a peso. Estas suelen conjugar una elevada rigidez, dureza, estabilidad química, resistencia
al desgaste y elevado punto de fusión pero con una predisposición a la fractura frágil
atribuido al fuerte enlace entre sus átomos (covalente o iónico) que dificulta el
movimiento de dislocaciones y por ello la deformación plástica. Cuando el material falla
lo hace sin avisar, de forma catastrófica lo cual constituye un verdadero problema en el
diseño práctico de estructuras que usan cerámicas.
Existen muchas estrategias para mejorar el comportamiento mecánico de las
cerámicas, se denominan mecanismos de refuerzo. Uno de ellos es el conseguir un
material compuesto con buena unión entre las fases componentes a escala atómica. La
cerámica más resistente a alta temperatura que se conoce es la formado por mezclas de
óxido de aluminio y óxido de circonio. Estos materiales se fabrican en el MPL usando la
técnica de fusión por zonas asistida por láser con un rango amplio de composiciones y
microestructuras. Cuando la composición del material corresponde a la denominada
eutéctica, la cerámica pasa, al enfriarlo por debajo de 1860ºC (temperatura eutéctica), a
formar un sólido denso compuesto por dos fases (fibras de óxido de circonio en una
matriz de óxido de aluminio). El material resultante constituye una de las cerámicas más
resistentes y tenaces que se conocen y excepcionalmente mantiene sus propiedades hasta
temperaturas por encima de 1600ºC.
Decorar utilizando el láser
(R. Lahoz, ICMA)
La modificación superficial de los materiales mediante láser basa en el
aprovechamiento de dos modos básicos de funcionamiento del láser: la ablación láser,
técnica que permite arrancar material de la superficie gracias al plasma que se forma a las
altas temperaturas de interacción del láser con el material, y el aprovechamiento del láser
como fuente de calor para la preparación de materiales a altas temperaturas, no
alcanzables con métodos convencionales.
En el MPL se trabaja en el campo del mecanizado por ablación de materiales
cerámicos utilizados en pavimento y revestimiento, con objeto de conseguir escarbados y
huecograbados de tipo decorativo difíciles de obtener con técnicas de mecanizado
tradicionales. Esta técnica muestra resultados de alta precisión mediante la selección de
los parámetros de procesado adecuados, que permiten diseñar procesos de sinterización,
fusión ó arranque de material por evaporación, sublimación directa o por generación de
ondas de choque mecánicas. La potencialidad de la tecnología láser en cuanto a
conseguir buenas definiciones en el dibujo (al nivel próximo de una fotografía), junto con
el alto nivel energético que se alcanza, permite conjugar la realización de dibujos y
relieves de modo continuo. Esto, junto con la utilización del software correspondiente así
como la facilidad de mantenimiento hacen que esta tecnología abra nuevos horizontes al
diseño cerámico.
Para los pigmentos se utiliza una modificación de una técnica novedosa, conocida
como sinterización selectiva por láser (SSL), para obtener diferentes estructuras
cristalinas por Fusión Selectiva Láser (FSL) directamente a partir de sus componentes
puros. El aporte energético del láser permite sinterizar, fundir y controlar la
microestructura de materiales altamente refractarios (a temperaturas alrededor de los
2000 ºC), en cantidades reducidas y en condiciones inalcanzables haciendo uso de las
técnicas convencionales utilizadas en procedimientos preparativos de laboratorio o
industriales (en los que sólo se puede llegar a los 1700 ºC). La FSL permite, además,
obtener estos materiales con una estructura cristalina muy estable a temperaturas muy
elevadas
10-20
10-20
Ǻ
Ǻnm Å
Sección transversal de un haz de nanotubos de capa única
Fullerenos embebidos en Nanotubos de carbono
Decoración de un gres porcelánico usando la tecnología láser (Premio Alfa de Oro de
Cevisama 03)
Huecograbado en gres realizado con láser
Detalle de la microestructura de un material cerámico eutéctico