Mecanizado por rayo láser asma l p e d arco do por iza Mecan Nombres Grupo Profesor Fecha : Bastian Gallardo, Danitza Pradenas, Juan Barriga, Vicente Márquez : N°6 : Daniel Jiménez : 30/05/2024 Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. Índice 1.- INTRODUCCION ............................................................................................... 3 2.- DESARROLLO .…………………………………………………………………………………………. 4 2.1.- CLASIFICACION PARA PROCESO (MECANIZADO POR PLASMA) ..…….…………. 4 2.2.- MAQUINARIA Y HERRAMIENTAS ……………………………………………………………… 5 2.3.- PARTES QUE COMPONEN UN CIRCUITO DE MEC. POR PLASMA……………….… 5 2.4.- USO Y APLICACIONES GENERALES ..………………………………………………………. 8 2.5.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS (MECANIZADO POR PLASMA) …………….…………...10 2.6.- CLASIFICACION PARA PROCESO (MECANIZADO POR RAYO LASER) ..…………10 2.7.- MAQUINARIA Y HERRAMIENTAS ….………………………………………………………… 11 2.8.- MAQUINAS DE MECANIZADO POR RAYO LASER …………………………..…………. 12 2.9.- USO Y APLICACIONES GENERALES ………………………………………………………. 14 2.10.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS (MECANIZADO POR RAYO LASER) ………………..….17 3.- CONCLUSIÓN …………………………….…………………………………………..………………18 4.- BIBLIOGRAFÍA …………………………………………………………………………………………19 Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 2 1.- Introducción Desde siempre la humanidad a buscado la forma de optimizar los procesos de fabricación, es por esto por lo que hoy en día con toda la tecnología y avances con los cuales se dispone, la industria del mecanizado explora nuevas formas de fabricar piezas. En este informe se detallan los procesos de mecanizado por rayo láser y el mecanizado por arco de plasma. El mecanizado por rayo láser tiene su origen buscando una manera alternativa para ahorrar tiempo y recursos en mecanizados demasiado demorados y que requerían una precisión extrema. En diversos estudios se demostraron ventajas y desventajas, como por ejemplo en una investigación realizada por el instituto nacional de tecnología industrial en la provincia de Buenos Aires, se menciona que este tipo de mecanizado es “Adaptable a una variada gama de materiales (Metálicos y no metálicos). Alto grado de automatización, incluyendo setup cero de máquina. Permite por su flexibilidad ser empleado en la manufactura de pequeñas series o piezas complejas. Posibilidad de obtener piezas terminadas con un sólo proceso. El proceso no requiere la utilización de herramental sujeto a desgaste”. (Krahmer, Paredes, & Maceira, 2006) Por otra parte, el mecanizado por arco de plasma es un tipo de mecanizado no convencional de tipo térmico que transforma la energía eléctrica en calor por medio de una diferencia de potencial. Este calor que se produce es la que se encarga de fundir el material que luego es evaporado. Sus elevadas temperaturas en el punto a mecanizar generalmente afectan físicamente el material dejando capas de refundido. Muchas de las tecnologías de mecanizado de este tipo, necesitan que el material sea metálico y por ende conductor de electricidad, para permitir la interacción eléctrica en el proceso. Sin embargo, es necesario identificar qué tipo de tecnologías de tipo térmica es más idónea para cortar diferentes tipos de metal con el fin de disminuir desperfectos por el calor y aumentar la calidad. Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 3 2.- Desarrollo 2.1.- Clasificación para el proceso de mecanizado por arco de plasma “Los mecanizados no convencionales son operaciones de fabricación que tiene mayor alcance que el mecanizado convencional, ya que utiliza otro tipo de tecnología y energía para mecanizar materiales con características inusuales, operaciones que exigen mayor eficiencia y calidad, y que son más complejas de realizar con el mecanizado habitualmente utilizado, sin que exista necesariamente un contacto físico entre la herramienta de corte y el material”. (Gamage & DeSilva, 2015) Proceso Convencional Contacto físico de la herramienta con la pieza Proceso NO Convencional No hay necesariamente un contacto físico entre la herramienta y la pieza Herramienta de corte con más dureza que No es necesario que la herramienta de el material a mecanizar corte sea más dura que el material a mecanizar Posible formación de viruta resultante de Eliminación de viruta mecanizar el material Tabla 1: comparación entre procesos convencionales y no convencionales El corte por arco de plasma “es un tipo de mecanizado que permite cortar material conductor por medio de un arco eléctrico (plasma), que se produce al ionizar un gas con corriente continua, para ello el electrodo posee polaridad negativa y el material necesita tener polaridad positiva para que pueda tener éxito el corte”.(Salonitis & Vatousianos, 2012) Figura 1: El principio de corte por arco de plasma. Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 4 2.2.- Maquinaria y Herramientas para el mecanizado por arco de plasma Cilindro de gas : Toda operación de plasma conlleva el uso de gases plasmágeno Manómetros Válvulas y : Utilizados para controlar la presión y cantidad de los gases en la operación del (PAM) Pieza de trabajo : Casi todo material metálico se puede trabajar por este medio. Como por ejemplo carbono simple, acero inoxidable y aluminio, pero últimamente también se corta hierro, cobre, latón, bronce y titanio. La antorcha : La antorcha de plasma incluye un electrodo y un dispositivo de refrigeración por agua, y estos se utilizan para evitar que la vida útil de la boquilla y del electrodo se disuelva debido al calor extremo. Electrodo : es de wolframio o circonio, en función del gas a utilizar; el de wolframio es puntiagudo (como el utilizado en soldadura TIG), mientras que el de circonio es plano con revestimiento de cobre 2.3.- Partes que componen un circuito simple, móvil de mecanizado por plasma Fuente de energía Figura 2: sistema de alimentación de una maquina móvil de PAM Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 5 Figura 3: circuito que alimenta la antorcha desde la fuente de energía y a la abrazadera (terminal positivo) Figura 4: circuito que alimenta la antorcha desde la fuente de energía y a la abrazadera (terminal positivo) Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 6 Figura 5: interior de la boquilla de una antorcha genérica Figura 6: arco eléctrico al interior de la antorcha. Figura 7: corte por arco de plasma Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 7 2.4.- Usos y aplicaciones generales para el mecanizado por arco de plasma En la industria del metal, este tipo de mecanizado se utiliza generalmente para cortar y dar forma a metales como el acero inoxidable, aluminio, cobre, titanio y hierro fundido. La manera de usar esta tecnología varia principalmente en tres opciones. Corte por plasma convencional Esta es la forma más antigua de proceso de corte por plasma y utiliza aire como gas. El arco eléctrico se forma entre el electrodo y la pieza de trabajo. El arco de alta energía ioniza el gas, convirtiéndolo en plasma, que luego se utiliza para cortar el metal. Si bien el corte convencional a base de plasma es económico y puede cortar una variedad de materiales, es posible que no ofrezca el mismo nivel de precisión que los otros tipos debido a una ranura más ancha y una mayor cantidad de escoria. Este proceso se muestra representado en la figura 1 hasta la figura 7. Corte por plasma de alta definición El corte por plasma de alta definición es una forma más avanzada del proceso y ofrece un mayor nivel de calidad de corte. Este método utiliza un arco muy enfocado y una corriente de plasma más rápida y presurizada. Además, a menudo emplea una mezcla de gases, como argón e hidrógeno o nitrógeno y oxígeno, en lugar de solo aire. Las cortadoras de plasma de alta definición suelen estar controladas por computadora y ofrecen un corte mucho más estrecho y menos escoria, lo que produce un corte más suave y preciso. Corte por plasma CNC Las cortadoras de plasma CNC llevan el proceso de corte por plasma a un nivel elevado de precisión y automatización. El sistema CNC, o Control Numérico por Computadora, organiza el movimiento de la antorcha basándose en patrones de corte programados. Este control avanzado hace posible la producción de cortes excepcionalmente precisos, incluso para formas o patrones complejos El proceso de corte por plasma CNC se adapta perfectamente a las industrias que necesitan una producción de gran volumen junto con un estricto control de calidad. Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 8 Figura 8: corte por plasma convencional. Figura 9: corte por plasma de alta definición. Figura 10: corte por plasma CNC Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 9 2.5.- Ventajas y desventajas del mecanizado por arco de plasma VENTAJAS • • • Velocidad del proceso: comparándolo con un corte por llama convencional, el mecanizado por plasma presenta un ancho de corte significativamente mas pequeño, en efecto, esto ofrece una velocidad mas efectiva que el método por oxicorte. Beneficios adicionales: El mecanizado por arco de plasma puede realizarse bajo agua, esto reduce las zonas afectadas térmicamente (ZAT) y minimiza los niveles de contaminación acústica. Además, debido a su alta precisión, es capaz de cortar formas mas complejas, a su vez, el proceso elimina el excedente de material, lo que permite un buen acabado. Reducción de deformaciones: No existen alteraciones en el material, esto es porque la velocidad del proceso reduce significativamente la transferencia de calor, evitando así que el elemento altere su microestructura. DESVENTAJAS • • Contaminación: La contaminación por humos contaminantes esta notablemente presente en este proceso, es por esto que lo hace muy riesgoso. Además, presenta una alta exposición a rayos ultravioleta. Factor económico: Su inversión inicial es relativamente alta comparado con el oxicorte, los consumibles tienden a ser mas costosos. 2.6.- Clasificación para el proceso de mecanizado por rayo láser “El mecanizado por láser es una tecnología de procesamiento prometedora, que funde y vaporiza selectivamente el material a través de una fuente láser adecuada, es decir, la longitud de onda de la fuente láser depende de la tasa de absorción del material y genera una característica deseada. Debido a su alta precisión y eficiencia, buena repetibilidad y flexibilidad, naturaleza sin contacto y limpieza, el mecanizado láser ha atraído gran atención”. (Wu, 2020) El proceso consiste en la generación de un rayo láser de alta potencia que es dirigido contra la pieza mediante un sistema de espejos de alta precisión. La energía térmica Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 10 generada por la radiación es suficiente para volatizar el metal de una forma controlada y precisa. Figura 11: El principio de corte por rayo láser. El mecanizado por rayo láser se puede utilizar en piezas de trabajo metálicas y no metálicas. Se utiliza especialmente para materiales de muy alta fragilidad donde no se puede utilizar el mecanizado tradicional. Además, crea formas diminutas o cortes en una pieza de trabajo que el mecanizado tradicional no puede hacer. Figura 12: Equipo de mecanizado por rayo láser 2.7.- Maquinaria y Herramientas para el mecanizado por rayo laser Equipo utilizado Fuente De Alimentación Lámpara De Destello función La fuente de alimentación suministra energía a la lámpara de destello para que emita luz para excitar el electrón desde el nivel inferior al nivel superior en el medio láser. La lámpara de destello se utiliza para suministrar luz blanca coherente de alta intensidad al tubo de descarga Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 11 Condensador Medio Láser / Tubo De Descarga Láser Espejo Reflectante Lente láser/material láser que finalmente excita el electrón Se utiliza un capacitor en el mecanizado del rayo láser para operar la lámpara de destellos en modo de pulso, ya que sabemos que el trabajo principal de un capacitor es almacenar carga y liberarla cuando sea necesario. En el mecanizado por rayo láser, se utilizan cristales de rubí. Cuando el tubo de flash emite luz, emite fotones de luz que contienen energía y el cristal de rubí absorbe este fotón de luz. Hay dos tipos de espejos reflectantes que se utilizan en el mecanizado por rayo láser. Uno es 100% reflectante y el otro es parcialmente reflectante. El rayo láser se emite a través del espejo parcialmente reflectante. Se utiliza una lente para enfocar el rayo láser en el área especificada de la pieza de trabajo. Tabla 2: Equipos utilizados para mecanizado por rayo láser 2.8.- Máquinas de mecanizado por rayo láser Cortadoras Láser CO2: Utilizan dióxido de carbono y son adecuadas para cortar materiales no metálicos como madera, plástico, vidrio y tejidos. Fibra Óptica: Utilizan fibra óptica para generar el rayo láser, son más eficientes energéticamente y se utilizan principalmente para cortar metales como acero, aluminio y latón. Nd (Neodimio-YAG): Utilizan un cristal de neodimio para generar el láser y son versátiles, usadas tanto en corte como en soldadura y grabado. Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 12 Figura 13: Cortadora Laser Máquinas de Grabado Láser Pueden ser de CO2, de fibra o de Nd, dependiendo del material y la precisión requerida. Son usadas para grabar logotipos, códigos, patrones y otros diseños en una variedad de materiales. Figura 14: Maquina de grabado laser Máquinas de Soldadura Láser Utilizadas para unir piezas de metal con alta precisión y control. Comúnmente usadas en industrias como la automotriz y la aeroespacial. Figura 15: Maquinas de soldadura laser Máquinas de Perforación Láser Usadas para realizar agujeros muy pequeños y precisos en materiales como metales y semiconductores. Utilizan pulsos de láser de alta intensidad para perforar el material. Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 13 Figura 16: Maquinas de perforación laser 2.9.- Usos y aplicaciones generales para el mecanizado por rayo laser El mecanizado por rayo láser es un proceso de mecanizado térmico que utiliza un rayo láser para generar calor. Donde los electrones de un átomo absorben energía de una fuente externa y saltan a un nivel de energía más alto. Al liberar la energía absorbida en forma de fotón, los electrones vuelven a su estado original. Dentro de sus aplicaciones tenemos: - Corte y perforación que se utilizan en operaciones de corte y perforación en materiales metálicos y no metálicos. Soldadura y revestimiento para industrias como la automotriz, aeroespacial y electrónica. Marcado y tratamiento de superficies para piezas complejas y de precisión. Taladrado, incluso en materiales duros como diamantes. A continuación, se presenta una tabla con algunas de sus aplicaciones y función dependiendo del tipo de mecanizado Aplicación Corte por Fusión Corte por Vaporización Corte Reactivo Función Corte por láser El material se funde y se expulsa con un gas de asistencia (por ejemplo, nitrógeno). El material se vaporiza directamente, produciendo cortes muy finos y precisos. Utiliza un gas reactivo como oxígeno que reacciona con el material para ayudar en el corte. Grabado por Láser Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 14 Grabado de Superficie Se elimina una pequeña cantidad de material de la superficie para crear un diseño o marca. Grabado de Profundidad Se elimina más material para crear un grabado más profundo y duradero. Micro perforación por Láser Perforación Percutante Serie de pulsos láser para crear agujeros pequeños y precisos. Perforación Continua Uso continuo del rayo láser para perforar materiales más gruesos. Soldadura por Láser Soldadura por Conducción Calor aplicado a la superficie para fundir y unir las piezas Soldadura de Penetración Profunda El rayo láser penetra profundamente para unir piezas gruesas. Ablación por Láser Ablación de Superficie Eliminación de capas delgadas de material de la superficie de un componente. Ablación Volumétrica Eliminación de material en volumen para aplicaciones como la fabricación de moldes. Cladding por Láser Aplicación de una capa de material sobre la superficie de una pieza base mediante fusión con un rayo láser. Texturizado por Láser Creación de patrones o texturas en la superficie de materiales para mejorar propiedades como la adherencia o la apariencia estética. Tabla 3: Aplicación y función de los distintos tipos de mecanizado por rayo laser Figura 17: Corte por láser Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 15 Figura 18: Grabado láser Figura 19: Soldadura láser Figura 20: Esquema de ablación por láser Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 16 Figura 21: Tecnología de cladding por láser 2.10.- Ventajas y desventajas del mecanizado por rayo laser VENTAJAS • • • • Alta precisión: Las cortadoras laser son exactas y precisas. Alta velocidad: A pesar de que las velocidades varían según el tipo y el grosor del material, el proceso puede realizarse a altas velocidades. Automatización: Este proceso esta altamente automatizado y puede incluir diversos sensores y sistemas de manipulación de materiales con poca intervención operacional. Versatilidad de materiales: Es capaz de trabajar con materiales de alto porcentaje de carbono y bajo. DESVENTAJAS • • • • • Grosor limitado del material: Los láseres están limitados en cuanto al grosor que pueden cortar. El máximo grosor es aproximadamente de 25 mm. Humos tóxicos: Ciertos materiales producen humos tóxicos que no son beneficiosos para el ser humano, por lo que se requiere una zona de extracción de humos contaminantes. Costos: Se requiere un gran desembolso de capital para el equipo de corte por láser, especialmente en comparación con tecnologías alternativas como las cortadoras de llama o plasma. Parámetros del proceso: El proceso debe ser refinado, o puede producirse decoloración o quemaduras. Ritmos de producción: La producción varían con los distintos tipos y grosor del material, lo que no suele ser demasiado conveniente. Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 17 3.- Conclusión El mecanizado por plasma y por rayo láser son dos técnicas avanzadas de fabricación utilizadas en diversos sectores industriales. Ambos procesos ofrecen ventajas significativas en términos de precisión, velocidad y versatilidad. Sin embargo, según lo investigado el mecanizado por rayo laser presenta mas motivos para descartarlo de un proceso con arranque de virutas. En el mecanizado por plasma, se genera un chorro de plasma de alta energía que se utiliza para cortar, soldar o modificar materiales conductores. Esta técnica es especialmente efectiva en el corte de metales conductores y puede lograr cortes limpios y precisos a velocidades relativamente altas. Cuando se trata de cortar metal, todos los sistemas, incluido el corte por arco de plasma, presentan ventajas e inconvenientes. Para determinar cuál se ajusta mejor, hay que tener en cuenta varios factores como el tipo y el espesor del metal que se corta, la ubicación del trabajo, el presupuesto y los recursos de energía disponibles. Por otro lado, el mecanizado por rayo láser utiliza un haz de luz láser altamente concentrado para cortar, grabar o soldar materiales. La precisión del láser permite cortes muy finos y detallados en una amplia gama de materiales, incluyendo metales, plásticos y cerámicas. Además, el láser es capaz de trabajar con materiales de alta dureza y espesores variados. El factor mas importante de este proceso es que la tasa de eliminación del material no es masiva, pero a su vez, provoca una zona afectada térmicamente que puede alterar la estructura cristalina, perjudicando así las propiedades mecánicas del material. Por último, El mecanizado por láser posibilita el mecanizado de figuras y piezas de pequeñas dimensiones, permitiendo obtener esquinas vivas y agujeros de pequeño diámetro, es decir, formas geométricas complejas que no son posible o es muy caro obtener por procesos convencionales. En resumen, tanto el mecanizado por plasma como por rayo láser ofrecen soluciones eficientes y precisas para la fabricación de piezas y componentes en la industria moderna, cada uno con sus propias aplicaciones específicas y beneficios distintivos. Son pro estas razones que los hacen un proceso de manufactura no convencionales. Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 18 4.- Bibliografía Gamage, J., & DeSilva, A. (2015). Evaluación de las necesidades de investigación para la sostenibilidad de los procesos de mecanizado no convencionales. Procedia CIRP, 385-390. Krahmer, D. M., Paredes, A., & Maceira, G. (2006). El proceso de corte laser aplicado a la manufactura de probetas planas de tracción normalizados obtenidas a partir de chapas finas de acero galvanizado. Buenos Aires: CONMET/SAM-SIMPOSIO. Salonitis, K., & Vatousianos, S. (2012). Experimental Investigation of the Plasma Arc Cutting Process. Procedia CIRP, 287–292. Wu, H. (2020). Micro wave patterns by vibrating-lens assisted laser machining. E. Tekkaya. Sierra Alcolea, Cayetano. Costa Herrero, Lluís. Buj Corral, Irene. Vivancos Calvet, Joan. Fabricación de piezas por deformación plàstica y por sinterizado, Escola Técnica Superior d´Enginyeria Industrial de Barcelona. Universidad Politécnica de Cataluña. Universidad del Bío-Bío – ingeniería civil mecánica – procesos C.A.V. 19
