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Funcionamiento de la asistencia de gas y la protección de piezas ópticas de ULS

La asistencia de gas y la protección de piezas ópticas de ULS utiliza un conjunto de componentes para manejar los subproductos del procesamiento de materiales mediante láser, mejorar la calidad del procesamiento y producción, y reducir el mantenimiento. A continuación, presentamos las cuatro clasificaciones de componentes que se usan para este propósito.

Asistencia manual de gas y asistencia de gases controlada por computadora

La asistencia de gas inyecta un flujo de gases sobre el material a procesar en el punto en donde el láser se enfoca. Esto se puede usar para mantener el sustrato libre de residuos, prevenir o estimular ciertas reacciones químicas y eliminar grandes cantidades de materiales. El suministro de los gases puede ser un compresor de aire o un tanque externo de gas.

Protección de piezas ópticas

La protección de piezas ópticas genera un flujo constante de aire limpio y comprimido para los distintos dispensadores dentro del sistema láser. El aire fluye desde estos dispensadores, lo que crea una barrera de presión de aire positiva alrededor de los elementos ópticos fundamentales, como los espejos y lentes. Esto impide que el polvo y los residuos que se generan durante el proceso contaminen las superficies ópticas, lo que mejora la vida útil de las piezas ópticas, la producción del procesamiento y la calidad.

La asistencia de gases controlada por computadora realiza la misma función que la asistencia de gas, pero también controla la velocidad del flujo de los gases que salen de una servoválvula. Esto permite que la velocidad de la inyección de gas cambie en base a los archivos de diseño o en base a los procesos individuales dentro del mismo archivo de diseño. Además, el usuario puede seleccionar una mezcla de gases y sus proporciones en algunos sistemas ULS.

Compresores de aire de ULS

El aire comprimido puede tener una variedad de fuentes: el aire del taller, tanques de aire o compresores de aire. Al momento de seleccionar una fuente de aire para el procesamiento de materiales mediante láser, se deben considerar varios factores, como la limpieza del aire, así como el contenido de aceite y humedad. ULS ofrece una solución de aire comprimido que suministra un aire acondicionado de manera óptima para los componentes de los sistemas de protección de piezas ópticas y de la asistencia de gas. Además, el compresor controla los equipos de corte, grabado y marcado láser, ya que suministra aire solo cuando se requiere, lo que reduce el desgaste, ruido y costos eléctricos innecesarios.

Accesorios de la asistencia de gas

Los gases pueden provenir de dos tipos de accesorios de asistencia de gas: la asistencia coaxial de gas y la asistencia de gas lateral. La asistencia coaxial de gas dirige el flujo de manera perpendicular a la superficie del material. Distintos lentes de enfoque tienen distintos tipos de asistencia coaxial de gas, que mantienen una distancia óptima frente al material y, al mismo tiempo, evitan que haya obstrucciones en el recorrido del haz. La asistencia de gas lateral dirige el aire a través del material y el mismo usuario puede ajustar tanto la posición como la orientación, para adaptarse perfectamente a las necesidades de cada material. Cada tipo de flujo tiene ventajas para una variedad de aplicaciones de procesamiento de materiales.

Representación del carro sin el accesorio de asistencia de gas (izquierda), la asistencia coaxial de gas (centro) y la asistencia de gas lateral (derecha)

Esquema del carro sin el accesorio de asistencia de gas (izquierda), la asistencia coaxial de gas (centro) y la asistencia de gas lateral (derecha)

Un mejor procesamiento de materiales mediante láser

El procesamiento de materiales mediante láser produce subproductos como polvo, residuos, emanaciones, humo y vapores, por mencionar algunos. La naturaleza de estos subproductos depende en gran medida de los materiales. Por ejemplo, el procesamiento láser de productos de madera y papel produce una combustión, lo que genera CO₂ y vapor de agua, además de humo y cenizas. Marcar aluminio anodizado prácticamente no genera ningún subproducto, ya que el láser descompone los tintes orgánicos dentro del revestimiento anodizado. El marcado sobre hierro y sobre los compuestos de hierro producen óxidos de metales que pueden ser útiles para las aplicaciones de marcado de alto contraste, pero que no son recomendables para los procesos de corte.

Las funciones de asistencia de gas y de asistencia de gases controlada por computadora inyectan gases como nitrógeno, helio, argón o aire en el punto de procesamiento para ayudar a manejar estos subproductos. La calidad resultante de los materiales procesados se puede mejorar sustancialmente mediante tres mecanismos distintos: la eliminación mecánica del subproducto, la conducción del calor térmico y la optimización o inhibición de las reacciones químicas.

Eliminación mecánica del subproducto

Independientemente del tipo de gas usado, el fuerte flujo que se inyecta en los puntos de procesamiento ayuda a eliminar la acumulación de subproductos sobre y alrededor del material. En los materiales que se derriten cuando se exponen a la energía láser, esto puede ser de utilidad ya que expulsarían la concentración del material fundido, lo que producirían cortes y marcados láser más limpios y uniformes. Los materiales que producen gases podrían inhibir la emisión de la energía láser o cambiar la química localizada. Si estos gases se dispersan, el procesamiento puede mejorar. Algunos materiales se solidifican rápidamente y pueden interferir con el procesamiento de materiales mediante láser ya que bloquean la trayectoria del haz láser hacia su superficie. En estos casos, retirar el material es fundamental para evitar que interfiera con el proceso.

Los accesorios de asistencia coaxial de gas y de asistencia de gas lateral le permiten al usuario controlar la forma en la que el material se expulsa de la superficie. La asistencia coaxial de gas expele aire hacia el material y ayuda a eliminar los subproductos del procesamiento de materiales mediante láser para los procesos de corte, grabado y marcado. La asistencia de gas lateral es un accesorio ajustable que dirige el aire a lo largo de la superficie del material, a distintos ángulos incidentes. Son particularmente útiles en las aplicaciones de marcado raster, en donde ninguna línea debe estar contaminada para lograr un procesamiento ideal; los accesorios de la asistencia coaxial de gas y de la asistencia de gas lateral se pueden instalar y desinstalar fácilmente sin usar herramientas, lo que mejora la flexibilidad del procesamiento.

La asistencia coaxial de gas (izquierda) dirige los subproductos del procesamiento de materiales mediante láser a través del corte y mejora el rendimiento del corte, ya que enfría el material y aumenta el oxígeno disponible en el caso de la asistencia de aire. La asistencia de gas lateral (derecha) hace que los subproductos del procesamiento de materiales mediante láser se alejen del material hacia el escape.

Conducción del calor térmico

Además de eliminar los subproductos del material de forma mecánica, la asistencia de gas ayuda a disipar el calor que genera el procesamiento de materiales mediante láser. Esto es muy útil para los materiales que son sensibles a las temperaturas elevadas o los materiales con altas probabilidades de generar una zona afectada por el calor.

Control de la química ambiental

Los gases inyectados en el punto de procesamiento desplazan el aire del ambiente, el cual contiene una mezcla de nitrógeno, oxígeno y rastros de otros gases. Estos gases pueden interactuar químicamente con el material durante el procesamiento láser. La química de estas reacciones depende en gran medida de los materiales y puede ser extremadamente compleja. Una composición inadecuada del gas puede causar múltiples defectos en el procesamiento, tales como una carbonización, oxidación y decoloración excesivas. Además, puede reducir la eficacia del procesamiento e, incluso, afectar la seguridad operacional de los equipos.

Afortunadamente, es posible que el procesamiento de materiales mediante láser sea ideal si el aire (N2 y O2) se sustituye con una mezcla distinta de gases, usando la asistencia coaxial de gas o la asistencia de gas lateral. Los dos accesorios permiten controlar la química ambiental local de manera precisa.

Los materiales orgánicos de bajo peso molecular, como el polietileno o polipropileno, junto con materiales naturales, como el papel y la madera, tienden a producir una llama en la interfaz entre el láser y el material. Esta llama es el producto del intenso calor del procesamiento láser interactuando con el material y el oxígeno del aire. Estas llamas afectan negativamente las piezas producidas y pueden comprometer la seguridad operacional. La asistencia de gas puede desplazar el aire del ambiente con un gas inerte como el nitrógeno, argón o helio, lo que reduce sustancialmente la concentración de oxígeno que, a su vez, sofoca la reacción de la combustión y elimina las posibles llamas.

Una reducción en los costos operacionales

La mejora en el rendimiento por el uso de gases de procesamiento puede ser sustancial e, incluso, algunos materiales no se pueden procesar sin ellos. No es poco común duplicar, incluso triplicar, el rendimiento del procesamiento si se usan gases de procesamiento. Esto reduce el tiempo del ciclo y todos los recursos asociados con la producción de las piezas.

Los gases de procesamiento, sobre todo las variedades más exóticas, pueden ser bastante costosos. La tecnología de asistencia de gases controlada por computadora de ULS minimiza el desperdicio, ya que dirige los gases al punto de procesamiento de manera local. Las válvulas especializadas controlan automáticamente la velocidad del suministro de gas para reducir el desperdicio aún más. Estas mismas válvulas cierran el flujo de gas cuando no se necesita, como cuando el sistema laser está inactivo o cuando algún proceso específico no lo requiera. Todas estas características reducen los costos operacionales del uso de la asistencia de gas.

Una mejora en la seguridad del sistema

Algunos materiales pueden causar problemas de seguridad cuando se utilizan sin la asistencia de gas. Los gases pueden eliminar los residuos inflamables del punto de procesamiento, pueden extinguir las llamas apenas surjan del material y pueden inhibir la combustión autónoma. Todos estos mecanismos disminuyen el riesgo de que el material se encienda durante el procesamiento, lo que mejora el sistema, las instalaciones y la seguridad del usuario.

El corte de acrílico sin la asistencia de gas enciende los subproductos del acrilato, lo hace que el procesamiento tenga una mala calidad y un riesgo de seguridad muy alto (izquierda). El corte de acrílico con la asistencia de gas crea bordes pulidos por llama y, al mismo tiempo, elimina la combustión no controlada de los subproductos del acrilato, lo que aumenta la seguridad de los procesos (derecha).

Reduce la necesidad de mantenimiento

La protección de piezas ópticas minimiza la contaminación de importantes elementos ópticos. Los procesos de limpieza mecánicos y químicos desgastan el recubrimiento y pueden rayar las superficies en las piezas ópticas especializadas, lo que podría incrementar la absorción de la energía láser y, así, causar más daños. La protección de piezas ópticas puede frenar fácilmente este efecto multiplicador y, así, extender la vida útil de los costosos elementos ópticos. Además, las piezas ópticas contaminadas reducen la cantidad de energía que se suministra al material y, en algunas aplicaciones, podrían disminuir potencialmente el rendimiento del sistema láser. La protección de piezas ópticas eliminan este problema y permite que el sistema láser funcione a la potencia óptima, incluso en los ambientes más contaminados.