Los láseres de fibra modernos son el resultado de un esfuerzo colectivo de cien años de investigación y desarrollo. En tan solo unos pocos años, estos sistemas láser han pasado de ser herramientas de grado industrial a máquinas cotidianas generalizadas utilizadas por aficionados y propietarios de pequeñas empresas.
Este artículo proporciona una mirada en profundidad a la tecnología de láser de fibra, su funcionamiento interno, aplicaciones y beneficios.
Vamos a sumergirnos en ello.
¿Qué es la tecnología láser de fibra?
La tecnología de láser de fibra utiliza un cable de fibra óptica hecho de vidrio de sílice como medio de ganancia para aumentar la fuerza del láser.
La fibra óptica está expuesta a una fuente de luz de alta intensidad y, a medida que los rayos de luz atraviesan el cable, se refractan internamente y se amplifican.
Los reflectores adicionales al final del cable de fibra reflejan y amplifican aún más el rayo láser.
La potencia de la fuente de luz determina la potencia de un láser de fibra. Las lámparas de alto voltaje bombean luz al medio de ganancia, lo que conduce a una mayor penetración del láser.
Debido a la flexibilidad de los sistemas de láser de fibra, ha visto una adopción generalizada en la industria manufacturera. Ya verás máquinas láser de fibra comúnmente utilizado para cortar, soldar, fabricar, limpiar y perforar metales, así como no metales.
La fascinante historia del láser de fibra
La invención del láser de fibra moderno es una historia compleja y fascinante que abarca casi cien años y cuenta con la colaboración de más de una docena de mentes científicas. La investigación de Albert Einstein de 1917 en emisiones de luz simuladas se convirtió en la base de los láseres modernos. Einstein propuso la teoría de que las fotos de la luz pueden hacer que los átomos liberen otros fotones.
Cuatro décadas después de que Einstein (1957) publicara su artículo, Gordon Gould presentó la estructura básica de la amplificación de luz visible.
Gould fue la primera persona para usar el acrónimo de la tecnología en su cuaderno de trabajo, llamándola LÁSER: Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación.
Mientras Gould formaba la base del láser, Ted Maiman pasó a construir el primer láser funcional.
Apenas unos años después del logro de Maiman, Elias Snitzer, quien entonces trabajaba en fibra óptica, creó un sistema para combinar las dos tecnologías, creando la primer sistema de láser de fibra en 1963.
Las fibras ópticas todavía eran muy difíciles de fabricar en los años 60, y sin cables de fibra de alta calidad, el láser de fibra no sería competitivo frente a los láseres de energía de gas.
Durante los próximos 30 años, varios científicos, incluido Snitzer, mejorarían el diseño e introducirían fibras ópticas de alta pureza, fibra de doble revestimiento y cables de fibra dopados con metales de tierras raras.
A fines de la década de 2000, la empresa italiana Salvagnini traería finalmente al mercado una máquina de corte por láser de fibra totalmente funcional. Desde entonces, los láseres de fibra han ido mejorando rápida y constantemente hasta el punto de superar Láser de CO2.
Tras la venta de la primera cortadora láser de fibra, las mejoras en la tecnología de fabricación, el rendimiento CNC y la fibra óptica han mejorado aún más las capacidades de los láseres de fibra.
¿Cómo funcionan los láseres de fibra?: una guía fácil de seguir
Los rayos láser modernos son una conmutación de años de investigación y décadas de mejoras en el proceso de fabricación.
Muchos ven los sistemas de láser de fibra como una tecnología compleja y desalentadora. Pero los principios operativos básicos son muy fáciles de entender.
Aquí desglosamos los pasos básicos involucrados en la operación del láser de fibra.
Paso 1: iniciar la fuente de luz
El primer elemento de un láser de fibra es la fuente de luz. Los láseres de fibra modernos utilizan un diodo semiconductor para la iluminación. Una mayor potencia dará como resultado un láser de fibra de alta potencia, pero a costa de un exceso de generación de calor en la fuente de luz.
Es necesario un sistema de refrigeración robusto cuando se trata de una potencia de alto rendimiento concentrada en un espacio tan pequeño.
Los láseres utilizados para la fabricación en entornos industriales son increíblemente potentes y una fuente de luz estándar suele ser insuficiente para tales sistemas.
Algunos láseres de fibra eluden los problemas de sobrecalentamiento mediante el uso de múltiples diodos láser de bombeo más pequeños para llenar el cable de fibra óptica con luz.
Paso 2: Bombee luz en el núcleo de fibra óptica
Una vez inicializada la fuente de luz, debe dirigirse hacia el cable de fibra óptica. Cuando la luz sale de la fuente del diodo, se dispersa en todas las direcciones.
Por lo tanto, materiales más gruesos y opacos rodean el diodo para evitar que la luz se escape en direcciones no deseadas. Entonces el único punto de salida de la luz sería en la dirección de la fibra óptica.
El proceso de dirigir más y más luz a una sola fibra óptica se llama bombeo.
Sin embargo, las fibras ópticas también son propensas a la fuga de luz. Si bombea luz a una fibra desnuda, la mayor parte de la energía se disipará en el entorno. Por lo tanto, las fibras deben estar revestidas con un material delgado y flexible, evitando la fuga de luz y mejorando el índice de refracción de la fibra. Las fibras se combinan con el material de revestimiento para formar un cable, y el núcleo del cable es la fibra óptica.
Paso 3: la luz se convierte en un haz de luz láser
Cuando la luz ingresa al cable de fibra, aún es demasiado débil y está desenfocada. Pero a medida que los paquetes de luz (fotones) atraviesan la fibra, se refractan internamente y se concentran. La luz rebota continuamente dentro de la fibra hasta que se forma un rayo láser.
Paso 4: la luz láser se amplifica internamente
Incluso después de convertir la luz láser en un haz cohesivo, la potencia de salida sigue siendo relativamente baja. Por lo tanto, el láser ahora debe amplificarse hasta que la calidad del haz mejore significativamente. La amplificación ocurre de tres maneras.
- Primero, los cables de fibra óptica están dopados con metales de tierras raras que se excitan con la luz láser y liberan más fotones. Estos fotones adicionales proporcionan energía adicional al rayo láser.
- A continuación, el cable de fibra se enrolla para aumentar exponencialmente las refracciones internas de la luz láser.
- Finalmente, los espejos reflectantes al final del recorrido del cable evitan que la luz regrese a los diodos láser o que salga prematuramente de la fibra óptica.
Paso 5: gestión de la longitud de onda
Un paso opcional para optimizar la salida del láser de fibra es controlar la longitud de onda (frecuencia) del haz final. La emisión estimulada de las moléculas tiene longitudes de onda variables y puede afectar la calidad de la salida del láser. Para controlar la salida del haz, se necesitan rejillas de Bragg de fibra.
Las rejillas de fibra Bragg son una serie de deflectores construidos dentro de la fibra óptica que bloquean las longitudes de onda de luz no deseadas y solo permiten el paso de las deseadas.
Paso 6: un sistema de lentes da forma y enfoca la luz láser
Después de que los diodos láser bombean luz al núcleo del cable de fibra óptica y se forma un rayo láser, es lo suficientemente fuerte como para derretir o incluso cortar materiales. Pero en este punto, la luz está demasiado desenfocada y el diámetro del punto del láser es demasiado grande.
Una serie de lentes de alta calidad dan forma al rayo láser en un punto (punto) más pequeño y ayudan a administrar otros parámetros del láser, como la distancia focal. Las lentes de mayor calidad dan como resultado una mejor calidad del haz.
Paso 7: los deflectores electrónicos cambian la dirección de la luz láser
Después de pasar por el medio de ganancia y las lentes, el rayo láser está listo para cualquier aplicación. Pero controlar la posición y la dirección del rayo láser sigue siendo un desafío.
La solución es un conjunto de deflectores (espejos) controlados electrónicamente al final del rayo láser. Cuando la luz incide en estos deflectores, un sistema controlado por computadora cambia el ángulo del deflector para controlar la dirección del láser de fibra.
Las partes sensibles dentro de la cavidad del láser de fibra no están diseñadas para moverse. Con este método, el láser de fibra puede permanecer estacionario mientras mueve solo el rayo láser.
7 beneficios clave de las máquinas láser de fibra para su empresa
Aquí hay una breve lista de los beneficios más importantes que las máquinas láser de fibra aportan.
Alta precisión
Una de las mejoras más significativas de los láseres de fibra con respecto a los anteriores Láser de CO2 es la increíble precisión del láser. Esta mayor precisión se logra mediante la combinación de diámetros de punto más pequeños y avances en CNC (control numérico por computadora).
Los láseres de fibra ahora pueden moverse con precisión y precisión a una milésima de pulgada. (1000 pulg. o ~0.001 micras).
Eficiencia energética
La eficiencia eléctrica del láser se mide en función de la diferencia entre la potencia extraída del enchufe de la pared y la potencia de salida de los rayos láser.
Los láseres de fibra son increíblemente eficientes desde el punto de vista energético y pueden convertir hasta el 35 % de la electricidad de entrada en energía láser. Esto es ligeramente más alto que los láseres de neodimio y casi el doble de la eficiencia del CO2.
Tamaño Compacto
Un contribuyente significativo a la reducción de tamaño de los láseres de fibra es la falta de un tubo láser. Los láseres de CO2 más antiguos utilizan un tubo de vidrio voluminoso que alberga una mezcla de gases utilizada como medio de ganancia.
Además, el uso de láseres de diodo de bajo consumo para bombear luz al medio láser conduce a sistemas de enfriamiento más pequeños dentro de la cavidad del láser de fibra.
Finalmente, la capacidad de enrollar el cable de fibra dentro de la máquina ha llevado a láseres de fibra de mayor potencia en el mismo paquete más pequeño.
Versatilidad
Los láseres de fibra son herramientas versátiles que se pueden implementar en diferentes sistemas de fabricación. Por ejemplo, una máquina de corte por láser de fibra también puede grabar y marcar con láser.
Al reducir el foco del rayo láser o usar láseres de fibra pulsada, puede disminuir la salida de energía y usar el láser para aplicaciones que no sean de corte.
Fuera del sector de la fabricación, los láseres de fibra se utilizan en equipos médicos, herramientas de medición de ingeniería y muchos más.
Larga vida útil
Otro excelente punto de venta para los láseres de fibra es su larga vida útil y durabilidad. Un láser de fibra estándar está diseñado para más de 30,000 XNUMX horas de funcionamiento.
Esto es casi 15 veces más largo que una máquina láser tradicional alimentada por gas. Debido a su alta durabilidad, los láseres de fibra también requieren un mantenimiento menos frecuente.
Compatibilidad de materiales
Los láseres de fibra se recomiendan principalmente para trabajos en metal. Puede cortar, marcar, limpiar, grabar y perforar láminas de metal e incluso placas más gruesas con láseres de fibra.
Sin embargo, los láseres de fibra brindan una compatibilidad limitada con los no metales. La compatibilidad limitada significa que el láser puede grabar y marcar, pero tendrá dificultades para cortar el material.
Puede usar láseres de fibra de menor potencia para marcar y cortar textiles, cuero, madera, etc.
Costos operativos más bajos
Las máquinas láser de fibra ofrecen ahorros significativos a través de una mayor eficiencia energética, un menor consumo de energía y un funcionamiento sin mantenimiento.
Su costo anual por pieza será considerablemente más bajo a largo plazo que las soluciones láser tradicionales alimentadas por gas.
5 asombrosas aplicaciones de los láseres de fibra
Las aplicaciones láser que no son de fabricación se adaptan mejor a los láseres de diodo de baja potencia. Aunque los láseres de fibra se utilizan en campos médicos, los láseres Nd: YAG dominan ese campo.
Debido a que la salida de alta potencia de los láseres de fibra puede alcanzar más de decenas de kilovatios, son favorecidos por sus capacidades de fabricación. Estas son cinco de las aplicaciones de láser de fibra más comunes.
Corte por láser
Los cortadores de metal son una de las aplicaciones más extendidas para los sistemas láser de fibra. La fabricación de metal más moderna implica la manipulación de láminas de metal, tubos de metal o placas de metal delgadas.
Además, el corte por láser de fibra es excelente para tratar con esos tipos exactos de materiales. Máquinas de corte por láser varían según la potencia de salida de los rayos láser, el tamaño de la máquina y las capacidades de automatización.
Se necesita una mayor calidad del haz para un corte de precisión. Por lo tanto, las lentes de alta calidad deben usarse y limpiarse regularmente.
Grabado láser
Los láseres de fibra pueden tallar letras y diseños complejos de forma rápida y precisa en productos que durarán tanto tiempo como el producto esté en uso.
Un caso de uso importante del grabado láser proviene de la combinación de sistemas láser CNC con software de diseño para permitir a los usuarios crear patrones detallados y complejos en cualquier cantidad de superficies.
Marcado láser
Los láseres de fibra de baja potencia son excelentes opciones para marcar componentes y productos. Pueden impartir rápidamente detalles del producto e instrucciones de seguridad en un componente con alta precisión y claridad.
Marcado láser se utiliza a menudo para dibujar logotipos y marcas de la empresa en el producto final.
Las fábricas a gran escala utilizan marcadores láser de fibra para impartir números de serie y números de lote en componentes pequeños como chips de memoria, PCB y chasis de automóviles.
Soldadura por láser
Soldadura por láser de fibra es una técnica de soldadura de alta precisión utilizada para unir dos láminas más delgadas de material con marcas de soldadura mínimas. Además, es posible soldar plásticos mediante láseres de baja potencia o pulsados.
La soldadura láser es más cara que la tradicional TIGor Soldadura MIG y normalmente se reserva para aplicaciones especializadas como soldaduras microscópicas, soldadura de metales preciosos, etc.
La soldadura láser es una excelente alternativa a otros métodos de unión de láminas de metal, como los remaches, ya que produce un acabado más al ras. De manera similar, se prefiere la soldadura por láser para unir elementos no metálicos cuando se requieren juntas herméticas y el pegamento (o adhesivos) no es una opción viable.
Limpieza con láser
Láser de fibra también se utilizan para limpiar los bordes y las superficies de los metales. Las piezas de hierro oxidadas se pueden limpiar con un láser de fibra en pocos segundos en comparación con el lijado. La limpieza con láser también produce un mejor acabado superficial.
Los láseres también pueden limpiar marcas de soldadura y rebabas de metal de otros procesos de fabricación. La limpieza con láser es menos común en la fabricación general debido a su mayor costo inicial.
La limpieza se relaciona principalmente con la potencia y la consistencia del láser. La calidad del haz y el enfoque son factores secundarios para este proceso.
Láseres de fibra frente a láseres de CO2 frente a láseres de Nd: YAG
Hasta ahora, en este artículo, solo nos hemos centrado en los láseres de fibra. Sin embargo, hay dos sistemas láser más disponibles en este momento que son populares y, en algunos casos, mejores que la opción de fibra.
CO2 es anterior a los láseres de fibra por medio siglo y es una opción probada y confiable. Nd: YAG es similar a los láseres de fibra y una tecnología algo más nueva que aún se está investigando. Esta sección compara las tres tecnologías y destaca sus respectivas ventajas.
Tecnología
- El CO2 es una tecnología láser más antigua que utiliza corriente eléctrica de alto voltaje para excitar las moléculas de gas, generando fotones dentro del tubo de mezcla de vidrio. Estos fotones luego son amplificados en un láser por dos reflectores exteriores.
- Los láseres Nd: YAG (granate de itrio y aluminio dopado con neodimio) bombean luz a un cristal de neodimio que actúa como medio láser. Cuando bombeas luz al cristal, las impurezas excitadas generan fotones (emisión estimulada).
- Los láseres de fibra bombean luz a un cable de fibra óptica que actúa como un medio láser y amplifica la luz internamente debido a su alto índice de refracción.
Precios
Costos de láser van desde unos pocos cientos de dólares (USD) hasta un millón. Los láseres de gas son los más baratos en $2,000 para una unidad para principiantes, mientras que los modelos básicos de fibra y YAG comienzan alrededor del $15,000 marca.
La inversión inicial en láseres de gas es considerablemente baja, pero el costo de mantenimiento puede comenzar a acumularse.
Los láseres de CO2 son los más adecuados para tiradas de producción de bajo volumen. En tales situaciones, una vida útil más corta y una eficiencia energética deficiente pueden justificarse por la reducción significativa de los costos iniciales.
Tamaño
Los láseres de CO2 son más voluminosos debido al tubo de mezcla de gases grande y pesado que se utiliza para la generación de fotones. Como bombea luz directamente a una fibra y láseres YAG, no es necesario el tubo de vidrio generador de fotones.
Las máquinas láser de fibra ocupan menos espacio y mantienen una mayor calidad de haz.
Eficiencia
El mayor consumo de energía de un sistema láser es la fuente de luz, ya que es necesaria para la amplificación.
Dado que tanto los láseres de fibra como los de YAG utilizan lámparas de bajo consumo para bombear luz al medio láser, tienen una mayor eficiencia general, lo que se traduce en menores costos operativos.
Los láseres de semiconductores que usan diodos tienen la mayor eficiencia, más del 60 %, pero solo con 5-10 W de potencia.
En este rango, los láseres semiconductores solo son útiles para marcar y cortar madera contrachapada o telas.
Esperanza de vida
La vida útil de los láseres de CO2 es la más baja entre todas las tecnologías láser, ya que el tubo de mezcla de gases se degrada con el tiempo y debe reemplazarse después de 2,000 horas de funcionamiento.
Por el contrario, los láseres de fibra pueden operar a su potencia alta (pico) todo el día y aun así mantener su larga vida útil. Los láseres de neodimio comparten una vida útil similar a los láseres de fibra monomodo.
Confiabilidad
Las optimizaciones modernas han llevado a una mayor confiabilidad de todos los sistemas láser. En términos generales, un láser de estado sólido y un láser de gas tendrán el mismo nivel de confiabilidad en condiciones operativas óptimas.
Sin embargo, en situaciones peligrosas como fábricas o plantas de procesamiento químico, los láseres de gas tendrán menor confiabilidad debido a la naturaleza frágil del tubo láser de vidrio.
Compatibilidad de materiales
Los láseres de CO2 tienen la compatibilidad de materiales más diversa, ya que se pueden usar en metales, plásticos, polímeros, madera y más. Solo están limitados por superficies metálicas altamente reflectantes como el bronce o el cobre, ya que la mayor parte de la energía del láser se refleja en la superficie.
Los láseres YAG tienen una compatibilidad con materiales metálicos razonablemente alta, pero solo son compatibles con algunos no metales cerámicos.
Los láseres de fibra son lo mejor de ambos mundos, ya que tienen una compatibilidad casi universal con los metales, incluidos los de superficie altamente reflectante y una compatibilidad decente con los no metales.
¿Qué tipo de máquina láser de fibra es mejor para sus necesidades?
Las máquinas láser de fibra son una solución versátil, flexible y rentable para las pequeñas y medianas empresas. Sin embargo, es crucial comprar una máquina que se adapte mejor a sus necesidades.
Especialmente dado que las máquinas láser de fibra tienen un costo de inversión inicial más alto, elegir una máquina adecuada para su negocio puede reducir significativamente su período de ROI (retorno de la inversión).
Estos son los principales factores que debe considerar antes de comprar un láser de fibra.
Aplicación láser
Describa su caso de uso principal para un láser de fibra. Si trabaja principalmente en la fabricación de láminas de metal, obtener una cortadora láser de fibra sería una decisión comercial inteligente. Usted se beneficia de la diversa compatibilidad de metales.
Las máquinas láser de limpieza, marcado y soldadura son herramientas de una sola tarea que están diseñadas para un solo propósito. Si no puede utilizar completamente estas máquinas de forma regular, es mejor evitarlas.
Tamaño de la máquina
Aunque las máquinas de láser de fibra son pequeñas y compactas, aún necesitan un amplio espacio para respirar.
Debe tener suficiente espacio libre alrededor de la máquina para que haya un buen flujo de aire y que el láser no se sobrecaliente.
Además, debe tener suficiente espacio de roaming para que nadie choque accidentalmente con la máquina mientras está operativa.
También debe considerar una ventilación adecuada al cortar plásticos o ciertos materiales peligrosos que pueden generar gases peligrosos.
Poder del laser
Los láseres de fibra de alta potencia se reservan principalmente para cortar bloques gruesos de metal. La mayoría de las industrias no se beneficiarán de un láser de estado sólido de 10kW.
El marcado láser requiere la menor cantidad de energía, mientras que el grabado, la limpieza y el corte requerirán niveles variables de energía según las condiciones de funcionamiento.
Evite los láseres de alta potencia si no brindan beneficios significativos para su negocio.
Costo de horas extras
Un láser de estado sólido, como uno de fibra, generalmente costará más en la compra inicial que uno de CO2.
Sin embargo, los láseres de fibra tienen costos operativos más bajos debido a su excelente eficiencia, incluso cuando alcanzan objetivos de alta potencia.
Los láseres de fibra también se consideran libres de mantenimiento debido a su vida útil excepcionalmente larga.
Modo de funcionamiento
Los láseres pueden operar en dos modos dependiendo de la aplicación.
- Modo de onda continua – En este modo, los fotones saldrán de la máquina en una onda continua y el láser bombardeará la superficie de la pieza de trabajo sin parar. La operación de onda continua también puede provocar marcas de quemaduras en los bordes de la pieza de trabajo.
- Modo de pulso – En este modo, los fotones salen de la máquina en ráfagas cortas llamadas pulsos. Los láseres de fibra pulsada disparan menos energía a la pieza de trabajo y reducen la posibilidad de fusión o deformación no deseada. Las duraciones de pulso del láser determinan la energía de pulso de un láser. Las duraciones más largas darán como resultado una mayor producción de energía.
Capacidad de Producción
La mayoría de los láseres utilizan una cama de trabajo estacionaria. El tamaño de la cama limita la capacidad de producción de las máquinas láser de fibra.
Sería necesario un tamaño de cama más grande para empresas más grandes que necesitan tiempos de respuesta rápidos, pero no será viable para la producción en masa.
Además del tamaño de la cama, algunas cortadoras láser de fibra utilizan un sistema de alimentación de bobina.
Aquí, el cuerpo principal del láser de fibra está conectado a un desbobinador de láminas de metal que continuamente alimenta metal a la máquina.
Sistemas láser alimentados por bobina normalmente se reservan para tiradas de producción de alto volumen y baja complejidad.
Conclusión
Los sistemas de láser de fibra comenzaron como una teoría no verificable en la mente de Einstein y se convirtieron lentamente en una de las herramientas modernas más innovadoras de la actualidad. Estos láseres son herramientas versátiles que son una parte crucial de varias industrias, incluida la metalurgia, la robótica, la cirugía y más. Altamente apreciadas por su eficiencia y tamaño reducido, las máquinas láser de fibra ahora son más asequibles que nunca.
Además, la amplia compatibilidad de materiales de los sistemas de láser de fibra les ha dado una ventaja sobre otros procesos de fabricación de metales.
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