Diferencias, ventajas y desventajas de los equipos de corte láser de CO2 y Fibra

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Diferencias entre Láser CO2 y Fibra

Desde sus inicios el mercado de los equipos de corte y grabado por láser estaba completamente dominado por el láser de dióxido de carbono (CO2). Estos habían progresado de juguetes de laboratorio a máquinas industriales en las décadas de 1970 y 1980, y en la década de 1990, eran dispositivos plug-and-play de varios kilovatios con un alto nivel de confiabilidad. 

Con el cambio de milenio, la industria del corte por láser se consideraba en general madura y en constante crecimiento. Nadie esperaba grandes avances en la tecnología en ese momento ya que aparentemente los láseres basados en la tecnología de gases cubrían las demandas de la industria.

¿Pero, Cómo funciona un láser de CO2?

En esta tecnología tenemos electricidad fluyendo a través de un tubo lleno de CO2 para crear luz. En un extremo del tubo hay un espejo completamente reflectante, el otro extremo sostiene un espejo translúcido, estos están configurados para aumentar la intensidad de la luz a medida que fluye a través del tubo lleno de gas. Desde este punto es guiado por otra serie de espejos y una lente de enfoque hacia el material a cortar.

Desafortunadamente, los láseres de CO2 usan significativamente más energía que otros tipos de equipos, lo que resulta en un mayor costo de operación. Por ejemplo, un láser y enfriador de CO2 de alta potencia (300w) consumirá aproximadamente 70 kW cuando funcione con la máxima potencia.

Sin embargo los láseres CO2 fueron los equipos predominantes de la industria durante muchos años.

Entonces, alrededor de 2006, los vendedores comenzaron a hablar sobre una nueva y revolucionaria tecnología de corte por láser: el láser de fibra.

Elias Snitzer inventó el láser de fibra en 1961 y demostró su uso en 1963. Sin embargo, las aplicaciones comerciales serias surgieron hasta la década de 1995.

¿Por qué tardó tanto? La razón principal es que la tecnología láser de fibra aún estaba en su infancia. Por ejemplo, los láseres de fibra solo pueden emitir unas pocas decenas de milivatios, mientras que la mayoría de las aplicaciones requieren al menos 20 vatios. Tampoco había forma de generar luz de alta calidad, ya que los diodos láser no funcionaban tan bien como en la actualidad.

Los láseres de fibra utilizan un cable de fibra óptica hecho de vidrio de sílice para guiar la luz. El rayo láser resultante es más preciso que con otros tipos de láseres porque es más recto y más pequeño. También tienen una huella de carbono pequeña, buena eficiencia eléctrica, bajo mantenimiento y bajos costos operativos.

Los láseres de fibra están en todas partes del mundo moderno. Debido a las diferentes longitudes de onda que pueden generar, son ampliamente utilizados en entornos industriales para realizar cortes, marcajes, soldaduras, limpieza, texturizado, taladrado y mucho más. También se utilizan en otros campos como las telecomunicaciones y la medicina.

Los primeros resultados de estos nuevos láseres fueron interesantes, pero irregulares; probablemente iban a superar a los láseres de CO2 para cortar aceros delgados (3 mm y menos) porque cortan más rápido, pero en materiales con espesores superiores a ~ 5 mm, la calidad del corte de la superficie era menor. Por abajo de las máquinas de CO2.

Los expertos se pusieron a trabajar para averiguar por qué la calidad de corte en secciones más gruesas era inferior y pronto encontraron la respuesta. En el caso de los láseres de CO2, el corte era suave y, por lo tanto, el metal fundido fluía hacia abajo de una manera muy ordenada, dejando solo patrones de ondulación menores en el borde de corte.

En el caso de los láseres de fibra, la diferente longitud de onda de la luz hace que el rayo láser rebote más dentro de la zona de corte, creando pequeños puntos calientes y diminutas protuberancias en la superficie del material fundido a medida que fluye por el corte. Estos puntos calientes y protuberancias dieron como resultado un flujo de fusión mucho más turbulento y fluctuante, dejando un borde de corte más áspero que se vuelve progresivamente más áspero en las secciones más gruesas.

Una vez que se identificó el problema, el equipo que desarrolló el láser de fibra se puso a trabajar para encontrar respuestas. Ellos y equipos similares de firmas como Bystronic, Salvagnini, Mazak, Mitsubishi, Kimla y Cincinnati, que utilizan láseres IPG Photonics en sus máquinas de corte, y Trumpf (que había desarrollado el láser de disco que, desde el punto de vista del corte, es muy similar al láser de fibra) crearon respuestas tecnológicas que dieron como resultado calidades de corte casi comparables con los cortes de CO2.

¿Cuáles son los tipos de láseres de fibra?

En términos generales, los láseres de fibra se pueden clasificar utilizando los siguientes criterios:

Fuente para crear el láser: los láseres de fibra varían según el material con el que se mezcle la fuente láser. Algunos ejemplos incluyen láseres de fibra dopada con iterbio, láseres de fibra dopada con tulio y láseres de fibra dopada con erbio (las tierras raras con las que se “dopan” las fibras ópticas de vidrio de sílice para crear el láser incluyen al erbio, iterbio, neodimio, disprosio, praseodimio, tulio y holmio).

Todos estos tipos de láseres se utilizan para diferentes aplicaciones porque producen diferentes longitudes de onda. Ya explicamos que la calidad del corte depende de la longitud de onda.

Modo de funcionamiento: Los diferentes tipos de láseres emiten rayos láser de manera diferente. Los rayos láser pueden pulsarse a una frecuencia de repetición establecida para alcanzar potencias de pico alto (láseres de fibra pulsada), como es el caso de los “q-conmutados”, “conmutados por ganancia” y “bloqueados por modo”. O pueden ser continuos, lo que significa que envían continuamente la misma cantidad de energía (láseres de fibra de onda continua).

Potencia del láser: la potencia del láser se expresa en vatios y representa la potencia media del rayo láser. Por ejemplo, puede tener un láser de fibra de 20 W, un láser de fibra de 50 W, etc. Los láseres de alta potencia generan más energía más rápido que los láseres de baja potencia.

Modo: el modo se refiere al tamaño del núcleo (por donde viaja la luz) en la fibra óptica. Hay dos tipos de modos: láseres de fibra monomodo y láseres de fibra multimodo. El diámetro del núcleo de los láseres monomodo es más pequeño, normalmente entre 8 y 9 micrómetros, mientras que es mayor para los láseres multimodo, normalmente entre 50 y 100 micrómetros. Como regla general, los láseres monomodo transmiten la luz láser de manera más eficiente y tienen una mejor calidad de haz.

CO2 y láser de fibra: ventajas y desventajas de cada uno

Ventaja láser de CO2

Acabado: Los láseres de CO2 generalmente producen una mejor calidad de borde en las piezas de trabajo de acero inoxidable y aluminio.

Flexibilidad: Los láseres de CO2 ofrecen flexibilidad en una amplia gama de aplicaciones láser, incluidos los no metálicos.

Tecnología conocida: Como los láseres de CO2 han existido durante más de 30 años, la tecnología y, por lo tanto, los resultados son bastante predecibles. Esto ofrece un buen nivel de seguridad al usuario.

Desventaja láser de CO2

Costos operativos: además del mantenimiento de los espejos, fuelles de lentes y gases láser necesarios para mantener puro y limpio el sistema de distribución de la trayectoria del haz, los costos de consumo de energía son un 70% más altos ya que el resonador de CO2, el soplador, el enfriador, son más exigentes.

Mantenimiento: Todos los componentes mencionados anteriormente del sistema de distribución de la trayectoria del haz requieren un mantenimiento que no solo puede ser perjudicial para la fabricación, sino también muy costoso.

Velocidad: en materiales delgados, un láser de CO2 simplemente no puede competir con una fibra. Como ejemplo, un CO2 de 4KW en acero dulce de 16 GA que usa N2 como gas de corte tiene una velocidad de corte recomendada de solo 260 IPM, mientras que un láser de fibra igualmente equipado tiene una velocidad de corte de aproximadamente 1417 IPM, una gran diferencia.

Ventajas de los láseres de fibra 

Costos de inversión: A medida que la tecnología láser de estado sólido se vuelve cada vez más popular, el costo de estos sistemas está disminuyendo. Como ejemplo, se puede comprar un sistema de corte por láser de fibra construido en un negocio pequeño, bien equipado a partir de 100 mil pesos.

Mantenimiento: Al contar con menos piezas de ajuste (no hay espejos), ha reducido en gran medida la cantidad de mantenimiento requerido y, como tal, los costos asociados con ese mantenimiento.

Velocidad: en la carrera de láseres de fibra frente a láseres de CO2 en materiales delgados, simplemente no hay comparación. La fibra duplica o triplica la velocidad en los materiales de poco grosor.

Costos operativos: con menores requisitos de energía para el resonador y menores requisitos de enfriamiento, el consumo de energía requerido para un láser de fibra es aproximadamente 1/3 del de su primo a base de CO2. Junto con menos mantenimiento, menos consumibles y un corte más rápido hacen que los costos por pieza en un láser de fibra sean extremadamente ventajosos.

Mayor vida útil: 

Desventaja de láser de fibra

Acabado de Material Grueso: Una de las ventajas de los láseres de CO2 son los acabados que se obtienen en materiales más gruesos, especialmente Acero Inoxidable y Aluminio. Si bien la tecnología de láser de fibra no está muy lejos de alcanzarle el CO2 sigue siendo el líder en esta área.

Flexibilidad general: como mencionamos anteriormente, el láser de CO2 tiene más flexibilidad para cortar una gama más amplia de materiales, especialmente no metales (MDF, triplay, madera, cartón). Si bien la tecnología de fibra se está poniendo al día y, de hecho, puede cortar latón y cobre (los láseres de CO2 luchan mucho con estos materiales), tienen límites para su uso, especialmente en aplicaciones no metálicas.

Tecnología conocida / Nivel de comodidad: si actualmente cuentas con uno o más sistemas láser de CO2, es probable que te inclines mucho más en esa dirección tecnológica inicialmente, ya que conoces los problemas a los que te enfrentas y a fin de cuentas el láser por fibra es una tecnología que no conoces pero tal vez sería bueno darle una oportunidad.

Las comparativas entre la tecnología láser de CO2 frente a láser de fibra es una pelea que poco a poco se está desvaneciendo de la industria.

A medida que la tecnología láser de fibra envejece, los ingenieros y fabricantes han descubierto formas de emular los efectos del láser de CO2 y, por lo tanto, con mayor éxito.

Al producir la fuente de luz láser en diferentes longitudes de onda y entregar esa longitud de onda a través de un cable de fibra óptica específicamente “sintonizado”, están logrando mejores resultados en materiales más gruesos y, como tal, eliminan rápidamente los argumentos en contra de la tecnología láser de fibra. 

Además, como el costo de los láseres de fibra se está reduciendo drásticamente, están llegando a rangos donde un taller de tamaño pequeño a mediano puede ahora acceder a esta
tecnología. 

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