Liderando con luz

Medicina moderna, telecomunicaciones, electrónica de consumo, construcción de edificios y almacenamiento de datos. Estas son sólo algunas de las tecnologías que serían mucho menos avanzadas, si no imposibles, si no fuera por el trabajo de los pioneros del láser (ver recuadro en la página 46), como Theodore Maiman, Charles Townes, Arthur Schawlow y muchos otros.

Pero en ningún lugar su trabajo ha tenido un efecto más profundo que en la planta de producción, donde un número cada vez mayor de fabricantes utilizan láseres para cortar metal, unir, marcar e inspeccionar piezas, configurar maquinaria y, sobre todo, mantener seguros a los trabajadores. Esto es especialmente cierto cuando se combinan láseres con automatización (aunque existen muchas definiciones de esto).

Los láseres más potentes (los que se utilizan para cortar) llevan mucho tiempo acompañados de sistemas automatizados de manipulación de materiales. Vienen en forma de simples estaciones de carga/descarga o, en algunos casos, torres de múltiples bastidores capaces de almacenar cantidades prodigiosas de hojas y cargarlas individualmente en una cortadora láser para su procesamiento. En cualquier caso, la máquina normalmente entrega las hojas cortadas a una plataforma o mesa cercana, donde un operador separa y clasifica las piezas.

Brendon DiVincenzo, jefe de soluciones para el mercado americano de Bystronic Inc., Hoffman Estates, Illinois, señala que la dinámica de este enfoque bastante estandarizado está cambiando. “Durante muchos años, el corte ha sido el cuello de botella, por lo que no importaba tanto lo que sucediera en cada extremo de la máquina”, afirma. “Pero esa ecuación está empezando a cambiar. Los láseres de fibra se están volviendo tan rápidos que los clientes han comenzado a exigir capacidades de carga y descarga más efectivas para mantenerse al día. Entre ellos se incluyen sistemas de clasificación automatizados, junto con torres más grandes, más rápidas y más flexibles”.

Un ejemplo es la reciente introducción por parte de Bystronic de un láser de 30 kW, que, según DiVincenzo, “puede manejar acero de 1,25 pulgadas (31,75 mm) de espesor sin mucho problema, pero puede cortar casi el doble de ese espesor en ciertas aplicaciones”.

Como se señaló, los sistemas de torre también son cada vez más capaces, pero quizás el mayor cambio sea la creciente aceptación de la clasificación automatizada.

"Haga los cálculos sobre las velocidades de corte más altas y lo que eso significa en el rendimiento de peso", señala DiVincenzo, "y rápidamente se dará cuenta de que, incluso si puede encontrar dos o tres personas que permanezcan allí todo el día, es poco probable que estén capaz de seguir el ritmo”.

Michael Bloss, gerente de productos láser de la costa oeste de Amada America Inc., Buena Park, California, señala que la productividad del láser implica mucho más que solo la potencia. "Trabajé con un cliente que estaba cortando una placa endurecida de 25,4 mm (1 pulgada) de espesor en una máquina de 12 kW", dice. “La velocidad era buena, pero la calidad de los bordes no era tan buena, así que lo probamos en nuestro VENTIS, que es un láser de fibra de 6 kW de módulo único. El corte quedó impecable”.

Claramente hay un lugar para los láseres más nuevos y de alto voltaje, aunque Bloss sugiere que comparar uno con la línea insignia VENTIS de Amada es similar a enfrentar un auto de carreras finamente afinado con una camioneta diésel; esta última tiene mucha potencia, pero podría no ofrecer resultados. la calidad y precisión deseadas.

Amada y las otras empresas entrevistadas para este artículo ofrecen sistemas robustos de manejo de materiales, los cuales merecen una mirada seria por parte de cualquier taller que desee aumentar el rendimiento. Pero, como señala Bloss, la automatización de varios aspectos del proceso de corte también merece evaluación.

"Tenemos numerosas funciones de monitoreo y control disponibles en algunos de nuestros modelos, como el i-CAS, que es una cámara que captura una imagen de una hoja y permite al operador arrastrar y soltar archivos de piezas en áreas no utilizadas", dice Bloss. .

V-Monitor es una cámara que registra continuamente el área de corte y señala eventos que podrían activar una alarma. Luego está el i-Nozzle Checker de Amada que mantiene automáticamente el haz centrado y enfocado en el corte, el sensor i-Optic que alerta al operador sobre la contaminación de la lente (y posibles daños) y una función de perforación avanzada que detecta cuando el haz se abre paso para puede comenzar a cortar, eliminando el tiempo perdido. "Amada siempre agrega características como estas que ayudan a que el proceso sea más rápido y predecible", dice Bloss.

Mazak Optonics Corp. de Elgin, Illinois, hace afirmaciones similares. El especialista en automatización Jacob Fogarty dice que el OPTIPLEX 3015 NEO de la compañía cuenta con un anidado de piezas y centrado de boquillas asistido por cámara y, al igual que otros constructores, ha desarrollado una tecnología patentada de conformación de haces para proporcionar un corte óptimo en diferentes materiales y espesores.

"Además, hemos introducido varias funciones de control que facilitan al operador garantizar que está logrando un rendimiento de corte óptimo", dice Fogarty. "Pero también tenemos una amplia gama de soluciones de automatización y sistemas automatizados de clasificación de piezas, como nuestro nuevo Smart Cell, que puede extraer piezas de forma independiente de un nido y luego colocarlas en un transportador o apilarlas en una plataforma para su procesamiento secundario".

El impulso hacia el corte por láser que depende menos de operadores capacitados y más de la automatización y los sistemas de control avanzados no es exclusivo de Mazak o Amada, ni se limita al corte por láser en 2D: la tecnología láser automatizada es igualmente importante para el corte, la soldadura y la soldadura en 3D. calificación.

Desde su Centro de Aplicaciones Láser en Plymouth, Michigan, Trumpf Inc. está logrando avances similares, particularmente en el sector automotriz. Jack Pennuto, director de ventas y aplicaciones de tecnología láser, explica que gran parte de este esfuerzo es en respuesta al mayor uso de aceros al boro por parte de la industria, lo que aumenta en gran medida la resistencia del material.

"Durante la última década, los fabricantes de automóviles han adoptado más aceros endurecidos por presión o conformados en caliente en sus componentes estructurales", dice. "El problema es que estampar agujeros en estos materiales es bastante difícil, por lo que muchos fabricantes han recurrido al corte por láser".

Incluso sin los actuales problemas laborales, la automoción y la automatización han sido sinónimos durante mucho tiempo. Los fabricantes de automóviles están aprovechando esa relación invirtiendo en corte por láser con carga y descarga robótica, una necesidad que Trumpf está dispuesto a satisfacer. "Un ejemplo es un componente al que se refieren como caparazón", explica Pennuto. “Es una pieza con forma aproximada que se coloca en un estante para presentarla a una cortadora láser 3D. Un robot lo coloca en un dispositivo, que luego se indexa en la máquina, que corta los agujeros y recorta todo a la medida. Desde aquí, el robot lo mueve a un bastidor diferente para soldar y otros procesos posteriores. La implementación de la robótica crea un proceso que puede funcionar sin intervención humana”.

Este procesamiento 3D más flexible es otro área donde brillan los láseres de fibra. “Los fabricantes de automóviles están produciendo automóviles con menos piezas, pero más complejas. Los pilares de las puertas son un buen ejemplo de ello”, afirma Travis Stempky, supervisor de aplicaciones de láser de alta potencia de Trumpf. “Debido a que soldar con láser de fibra es un proceso sin contacto, puede estar más lejos de la pieza, lo que facilita llegar a áreas a las que un soldador tradicional no puede llegar. El uso de esta herramienta láser flexible brinda a los fabricantes más libertad para crear diseños que logren un excelente ajuste de piezas y reduzcan costos”.

El gerente de producto de soldadura por láser de fibra (FLW), Dan Belz de Amada, está viendo solicitudes similares para sistemas de soldadura por láser, muchos de ellos para aplicaciones de gran volumen. Comparte otro ejemplo, aunque desde una dirección inesperada, uno que ilustra la flexibilidad de la tecnología láser actual: la soldadura por puntos.

"El año pasado, desarrollamos una máquina especial para un cliente que quería unir volúmenes muy elevados de componentes HVAC", afirma. “En ese momento, estaban perforando y tocando agujeros y luego colocando un pequeño gancho; Como puedes imaginar, requirió mucha mano de obra. Así que tomamos una de nuestras soldadoras láser existentes, le agregamos una plataforma giratoria y entregamos una celda completamente automatizada”. Y añade entre risas: “La soldadura por puntos es un proceso sencillo, por lo que tenía algunas dudas sobre el uso de un láser de fibra, pero fue un gran éxito. No se forman hoyuelos, no se quema ni se quema, la unión es mucho más resistente y el cliente se ahorra medio millón de dólares al año sólo en el material”.

Un buen porcentaje de la soldadura láser se realiza sin metal de aportación, lo que significa que la luz colimada del láser es suficiente para fundir y unir las dos piezas de trabajo. Pero como señala Elliott Ash de Lincoln Electric Co., el uso de alambre o varilla de relleno (como ocurre con los procesos tradicionales de gas inerte de metal y gas inerte de tungsteno) brinda la oportunidad de agregar elementos de aleación a la junta soldada, agregando resistencia. "También significa que se pueden realizar operaciones de revestimiento, en las que se puede agregar acero inoxidable o un metal de revestimiento duro como Stellite (de Kennametal Inc.) a la superficie de una pieza para aumentar la resistencia al desgaste".

Ash es ingeniero de soldadura para un proveedor de soldadura con sede en Cleveland, Ohio. Describe dos procesos basados ​​en láser de especial interés para las empresas del segmento de vehículos eléctricos, que los utilizan para unir bandejas y terminales de baterías. Sin embargo, se apresura a señalar que ambos son igualmente adecuados para aplicaciones no automotrices. Ambos también son procesos de soldadura "únicamente automatizados", así que no planee instalar uno de estos sistemas en su garaje para trabajos de afición.

"El primero de ellos es la soldadura híbrida por arco láser, o HLAW", afirma. “Aquí, se crea un ojo de cerradura con el láser, manteniendo la zona de soldadura fundida para que el proceso MIG posterior pueda rellenar la junta. Esta tecnología brinda una excelente penetración a altas velocidades de desplazamiento y altas tasas de deposición; el desafío es mantener activo y estable ese ojo de cerradura fundido, por lo que tiene más con qué lidiar que un proceso MIG simple. El láser de potencia de precisión (PPL) simplifica mucho de eso”.

PPL es un proceso de “hilo caliente” sin arco. También es propiedad de Lincoln Electric. Aquí, una fuente de alimentación de soldadura avanzada calienta el metal de aportación cuando ingresa al charco de soldadura creado por el láser. Hay una distorsión mínima y no es necesario mecanizar grandes biseles en preparación para la soldadura; todo lo que se necesita es un ligero chaflán, lo que reduce los costos. También es un proceso “más frío”, por lo que es ideal para láminas de metal de calibre fino, aunque, como explicó Ash, también es adecuado para chapas pesadas.

"Tenemos aplicaciones en las que unimos material de siete pulgadas de espesor (178 mm) y lo hacemos mucho más rápido que con un enfoque convencional", afirma. “Pero donde realmente destaca el PPL es en los materiales finos: en algunos casos, podemos alcanzar velocidades de soldadura de tres metros por minuto. Es bastante rápido”.

Dave Cotton es el gerente de desarrollo comercial de productos láser de lámina plana (LS/LC) para BLM Group USA en Novi, Michigan. Él y el gerente de productos láser de Norteamérica, Robert Adelman, no pueden hablar de soldadura, pero ambos tienen una amplia experiencia en corte por láser. de stock de láminas y tubos, así como la automatización de cada uno de ellos.

Cotton reiteró lo que Brendon DiVincenzo de Bystronic aludió anteriormente: los cuellos de botella que las cortadoras láser han presentado durante mucho tiempo y los láseres actuales de mayor potencia y eficiencia están haciendo necesario automatizar los procesos de manipulación posteriores. “La industria en su conjunto está ocupada evaluando cómo desarrollar nuevos sistemas en respuesta a láseres más capaces, pero también está tomando algunas de las capacidades de automatización actuales o pasadas y mejorándolas. Debido a esto y a la actual escasez de mano de obra, la demanda de automatización ha aumentado significativamente”.

Adelman está de acuerdo. “No hace mucho que vender la automatización del 10 al 15% de nuestros sistemas se consideraba un buen año. Hoy estamos viendo el 40% y esperamos que sea del 60% o más el próximo año”.

Estas declaraciones se extienden al sector de procesamiento de tubos del negocio de BLM. Adelman dice que muchos talleres están optando por máquinas cortadoras de tubos que pueden aceptar un gran paquete de material y alimentar automáticamente la máquina, un tubo a la vez. Yendo un paso más allá, la empresa ha desarrollado un sistema de almacenamiento y recuperación estilo casete. “No se diferencia de una torre en que se puede cargar con grandes cantidades de materia prima de diferentes formas y tamaños. Nuestro sistema estándar acepta hasta 10 casetes, pero los clientes pueden ampliarlo fácilmente a lo que necesiten”.

A diferencia de las láminas planas, el mundo de los tubos tiene muchas más variables. “Aquí tienes diferentes tipos de perfiles (redondos, cuadrados, rectángulos, etc.) junto con distintos espesores y materiales”, continúa. "Sin embargo, al final del día, todavía podemos automatizarlo".

Esta automatización se extiende al doblado de tubos. Este entorno es similar a lo que han descrito otros fabricantes, donde un robot no solo presenta piezas cortadas a un láser CNC, sino que también manipula las piezas (o el láser) en múltiples ejes para cortar las formas complejas requeridas en este mercado. Y en algunos casos, las soluciones combinadas “todo en uno” gestionan el corte y el plegado en una sola máquina, o incluso lo integran con el procesamiento de láminas planas (la LC5 de BLM es un ejemplo).

"También tenemos cortadoras láser con automatización en la parte trasera de la máquina pero abiertas en la parte delantera", añade Adelman. “Estos son excelentes para talleres y otros fabricantes de bajo volumen y alta variedad, que podrían necesitar ejecutar prototipos o trabajos de bajo volumen durante el día, pero quieren cambiar al procesamiento desatendido fuera del horario laboral. Esta solución ofrece lo mejor de ambos mundos”.

IPG Photonics Corp. de Marlborough, Massachusetts, es otro proveedor de soluciones que se toma en serio los láseres de fibra. De hecho, los fundadores Valentin Gapontsev e Igor Samartsev fueron pioneros en este ámbito. John Bickley, director de ventas y marketing, le contará que la empresa ofrece sistemas láser automatizados que cubren las necesidades de corte y soldadura antes mencionadas, así como limpieza, perforación, marcado, revestimiento y soldadura fuerte.

"Dentro de nuestra oferta de productos de sistemas láser automatizados, tenemos aproximadamente seis familias diferentes de equipos que tienden a dividirse según el tamaño de las piezas que la gente quiere procesar, el tipo de mecanizado y la precisión requerida", dice Bickley. “Por ejemplo, si alguien busca un sistema de alta precisión, entonces una plataforma cartesiana tradicional con una etapa XYZ generalmente proporcionará los mejores resultados; Sin embargo, para velocidades más rápidas y piezas muy grandes, un sistema robótico suele ser el enfoque preferido”.

IPG Photonics se complace en abordar estas y otras aplicaciones que se le presenten. El desafío surge cuando un cliente quiere un láser de uso general que pueda cortar un día, soldar otro y marcar o limpiar al día siguiente. Como le dirá cualquier experto, los sistemas láser suelen estar diseñados para un único propósito (cortar o soldar, por ejemplo), mientras que el enfoque de la navaja suiza aún no es una realidad.

Dicho esto, IPG construye sistemas personalizados con cabezales de proceso intercambiables, lo que permite a los clientes cambiar entre una aplicación y otra. "Aquí podríamos incluir un cambiador de herramientas neumático y un interruptor de rayo láser para dirigir la fuente láser al cabezal de procesamiento apropiado", dice Bickley. “Lo que se complica es cuando es necesario utilizar diferentes gases de proceso y extracción de humos para respaldar el proceso láser. Y, sin embargo, los precios del láser han caído sustancialmente en los últimos años, por lo que hay menos motivación para que los talleres inviertan en una sola máquina que lo hace todo. Aún así, se puede hacer”.

Quienes compran sistemas láser personalizados tienen muchas casillas que marcar, añade. Los parámetros incluyen:

Estos y otros factores ayudan a determinar el precio y el rendimiento (velocidad, precisión y flexibilidad). Otra consideración importante: ¿seguirá siendo el sistema una solución viable dentro de unos años?

“Una vez que hayas comprendido estas variables, la configuración ideal del equipo se vuelve mucho más clara. Pero también es importante señalar que, a medida que se agrega más complejidad al equipo y a la aplicación, es fundamental trabajar con un proveedor que tenga experiencia en el desarrollo, modelado y simulaciones virtuales tanto del equipo como de la interacción con el proceso para reducir diseñar iteraciones y acelerar el tiempo hasta la primera parte.

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