Máquina de corte por láser industrial

Una cortadora láser funciona dirigiendo un haz de luz de alta energía y diámetro muy pequeño verticalmente hacia abajo sobre una hoja o placa de material para cortarla en un perfil 2-dimensional moviendo el láser en las direcciones X e Y a lo largo de la cama de la máquina. Este rayo funde o quema el material en un patrón determinado por un conjunto de instrucciones generadas por computadora llamado código G. A veces se utiliza una corriente de gas a alta presión para expulsar el material fundido del fondo del material que se está cortando. Este proceso se realiza para que el material de desecho no quede en la zona de corte y se solidifique una vez que la viga haya avanzado. En otros casos, el rayo láser simplemente vaporiza el material. El método de generación del rayo láser difiere entre tecnologías, pero en principio todas siguen los pasos que se detallan a continuación:

Paso 1: Generación de archivo de código G
Antes de realizar cualquier corte, es necesario generar el código G para el trabajo de corte. El código G es un conjunto de instrucciones legibles por máquina que le indican a la máquina dónde mover el cabezal de corte por láser. El operador puede generar las instrucciones a mano para formas simples. Las formas más complejas requieren software CAM (fabricación asistida por computadora) para generar automáticamente este código G a partir de un archivo CAD (diseño asistido por computadora) suministrado. Luego, este código G debe enviarse a la máquina a través de una conexión Wi-Fi o mediante una unidad USB.

Paso 2: Generación del rayo láser
El rayo láser se genera dentro del resonador. Las diferentes tecnologías láser utilizan diferentes medios para generar el láser. Sin embargo, la física de la generación del haz es la misma para las diferentes tecnologías láser.
Cuando un electrón es estimulado por un fotón, absorbe su energía para pasar a un estado de mayor energía. Se requiere una cantidad exacta de energía de un fotón para energizar un electrón a un estado de energía específico. Este proceso se conoce como absorción estimulada.

El electrón decaerá a un orbital inferior después de un período de tiempo muy corto. Esta decadencia es causada por pequeñas fluctuaciones en el vacío cuántico que hacen que vuelva a caer a un estado de menor energía. Al desintegrarse, emitirá un fotón. Este proceso se conoce como emisión espontánea.

La emisión espontánea de un fotón no se puede utilizar para crear un rayo láser, ya que los fotones emitidos serán incoherentes al moverse en direcciones aleatorias. También caerán al estado fundamental demasiado rápido. Los láseres solucionan este problema utilizando materiales con un estado metaestable. Este proceso permite que el electrón permanezca en un estado semiexcitado durante más tiempo en comparación con la escala de tiempo involucrada en la emisión espontánea (es decir, milisegundos frente a nanosegundos).

Cuando un fotón interactúa con un electrón ya excitado en su estado metaestable, puede hacer que el electrón vuelva a caer a un orbital de menor energía. Cuando el electrón hace esto, se libera un fotón con las mismas propiedades que el fotón que inicialmente lo perturbó (es decir, la misma frecuencia, fase y polarización). Este proceso se llama emisión estimulada y es el mecanismo utilizado para crear un rayo láser. Una vez que comienza el proceso, se libera una cascada de fotones que luego viajan por el tubo.

Paso 3: amplificación láser
Cuando ocurre la fase inicial de emisión espontánea, los fotones se dispararán en direcciones aleatorias. Sin embargo, algunos serán perpendiculares a los dos espejos en cada extremo del medio láser. Esta situación crea dos ondas de luz (una que viaja hacia la izquierda y otra hacia la derecha en el medio), lo que crea una onda estacionaria que consiste en interferencia constructiva y destructiva. Cuando se producen estas ondas estacionarias, se denomina resonancia. La intensidad de la luz aumenta hasta el punto en que el espejo semirreflectante permitirá que algo de luz lo atraviese, generando un haz coherente de energía láser. La luz restante continúa reflejándose en el medio láser para continuar con la emisión estimulada de fotones. Las diferentes tecnologías láser producen láseres con diferentes longitudes de onda.

Paso 4: dirección del haz y enfoque
Cuando el haz sale del medio láser después de la amplificación, se dirige a través de un cable de fibra óptica (en el caso de un láser de fibra) o a través de una serie de espejos (para láseres de CO2 y Nd:YAG). El rayo se dirige hacia el material laminar a través de una lente que enfoca la energía del láser en un diámetro muy pequeño para crear un punto localizado de alta energía. Tenga en cuenta que el láser solo tiene un punto de enfoque de alta intensidad; todo el haz no tiene la misma intensidad de corte. La diferencia de intensidad es la razón por la que las cortadoras láser están limitadas en el grosor del material que pueden cortar, ya que la intensidad del láser cae por encima y por debajo del punto de enfoque.

Paso 5: corte de material
Una vez enfocado el haz, comenzará a derretir o vaporizar el material. En el caso de materiales que no se funden, como la madera, el láser quemará el material. Con los metales, el rayo láser derretirá el material y un chorro de gas a alta presión expulsará el material fundido del corte. El gas puede ser nitrógeno inerte o argón o puede ser oxígeno que se utiliza para acelerar el proceso de corte del acero.