El láser es la herramienta preferida cuando se trata de perforar un gran número de agujeros similares uno al lado del otro. Pero, ¿qué sistema láser es el más rápido? ¿Y qué proceso de perforación ofrece los resultados más adecuados? El Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT lleva décadas desarrollando y probando la tecnología para estos procesos. El siguiente artículo ofrece una visión general de cómo abordar estas cuestiones.

Aunque la pandemia ha reducido los viajes en avión por el momento, la industria aeronáutica está sometida a una presión considerable para seguir reduciendo el consumo de combustible. El principio de ‘control de flujo laminar híbrido’ le brinda la oportunidad de hacerlo: el aire fluye alrededor de un ala de avión con menos resistencia si su superficie tiene muchos agujeros pequeños. De este modo es posible ahorrar hasta un 10% de combustible.

La situación es similar en las turbinas de los aviones, donde los pequeños agujeros ayudan a amortiguar el ruido del motor. Un tercer ejemplo es la tecnología de filtros. En este caso, las láminas metálicas con agujeros del orden de los micrómetros pueden filtrar eficazmente los microplásticos de las aguas residuales. Estos tres ejemplos demuestran muy bien que hay muchos agujeros que hacer en ámbitos muy diferentes.

La construcción de turbinas, la producción de papel o el reciclaje de plásticos son áreas con gran potencial.

El láser se utiliza en la industria desde hace varias décadas y sus aplicaciones son muy diversas. Además del marcado, la soldadura y el corte, el láser también se utiliza habitualmente para el taladrado. Desde un punto de vista científico, el taladrado por láser es un proceso de corte térmico no fresado. La imagen 1 muestra cuatro formas diferentes de perforar agujeros con un láser. El equilibrio entre alta velocidad y alta precisión desempeña un papel crucial en la selección.

Por supuesto, la forma más rápida es ‘disparar’ los agujeros a través del material con pulsos simples. El taladrado helicoidal es el que más tarda, y suele requerir incluso sistemas ópticos especiales, pero a cambio ofrece una gran precisión. La perforación por percusión consiste en colocar varios pulsos en el mismo punto para hacer un agujero con láser a través del material. La trepanación es cuando se recorta el agujero trazando el contorno del mismo después de haber perforado inicialmente un agujero más pequeño.

Por supuesto, la precisión del agujero y la suavidad de sus paredes también dependen del material y del tipo de radiación láser. Como el cobre, por ejemplo, absorbe mucho mejor la radiación verde y azul que la infrarroja común, se procesa mejor con este tipo de láser.

La duración y la energía del pulso también influyen en el resultado, y aquí es donde los láseres de pulso ultracorto (USP) son algo muy especial: Aplican la energía láser en un tiempo extremadamente corto, convirtiendo el material en plasma casi instantáneamente. Como resultado, los láseres USP pueden procesar prácticamente cualquier material, ofrecen una excelente calidad de superficie, pero también necesitan el mayor tiempo para perforar el agujero.

Fraunhofer ILT lleva años investigando y optimizando todos estos procesos. Este trabajo ha dado lugar a procesos de perforación altamente productivos que pueden producir de decenas a cientos de agujeros por segundo. El gran reto en este caso era mantener las bajas tolerancias de los diámetros de los agujeros y una alta calidad de la superficie incluso con una alta productividad (tasa de perforación). Para ello, el instituto utiliza el conocido proceso de taladrado de un solo pulso “sobre la marcha” (OTF), así como un proceso de taladrado por percusión OTF desarrollado en el Fraunhofer ILT.

El proceso de taladrado más productivo de la lista anterior es el taladrado con pulsos simples. Siempre hay que tener en cuenta que la velocidad del proceso y la calidad del agujero deben estar equilibradas. Si el conjunto óptico se mueve demasiado rápido sobre la superficie, el agujero se alargará. La calidad del orificio puede evaluarse en función de varios parámetros:

En el Fraunhofer ILT se optimizó el proceso para poder taladrar 200 agujeros por segundo en una lámina de titanio de 1 mm de espesor. Para ello se utilizó un láser monomodo, que puede generar un diámetro de foco de sólo 12 µm, para producir agujeros con un diámetro de algo menos de 80 µm.

El taladrado se realizó ‘sobre la marcha’, es decir, con una velocidad de avance constante del sistema óptico respecto a la pieza. Utilizando los parámetros de proceso optimizados, el instituto pudo mecanizar un demostrador moldeado en 3D de 2 metros de largo de un ala de avión en un sistema de 6 ejes. A una velocidad de 200 agujeros por segundo, se perforaron unos 2 millones de agujeros por metro cuadrado en una superficie de unos 2 m2 en menos de tres horas. El diámetro de los agujeros era de 80 µm. También era importante controlar con precisión la distancia entre los sistemas ópticos y la pieza. Para ello se utilizó la tomografía de coherencia óptica (OCT), ya que la OCT no se ve afectada por el plasma o las salpicaduras y alcanza una precisión de medición de sólo unos pocos micrómetros.

No todos los agujeros pueden perforarse con pulsos láser individuales: por ejemplo, los que tienen relaciones de aspecto más elevadas, mayores exigencias en cuanto a la calidad de la perforación o una inclinación del agujero. Esto se puede conseguir con el taladrado por percusión. Los diámetros de agujero más grandes son otra aplicación para el taladrado por percusión OTF. En este proceso, se disparan múltiples pulsos de láser en el mismo agujero. Es obvio que la velocidad de avance juega aquí un papel aún mayor: El orificio debe estar terminado antes de que el sistema óptico siga avanzando, de lo contrario, el orificio estará sesgado o el láser no podrá penetrar en el material.

La duración necesaria para perforar un agujero depende del número de pulsos láser necesarios y de la velocidad de repetición del láser. El proceso de perforación en sí es más complejo que con un solo pulso. En el momento en que se perfora el agujero, los pulsos individuales del láser deben ser lo suficientemente fuertes como para impulsar el material más allá del agujero porque, dependiendo de los parámetros del proceso, la masa fundida puede permanecer en el agujero y solidificarse, haciendo sombra al láser o incluso cerrando el agujero.

Fraunhofer investigó esto en detalle y desarrolló un proceso OTF para un taladro de percusión. Utilizando una nueva fuente de rayos láser de fibra con una potencia de pulso máxima de 20 kW y una tasa de repetición de 2000 Hz, el instituto pudo generar hasta 30 agujeros por segundo en aluminio de 2 mm de grosor.

Se produjeron diámetros de perforación de 500 µm con un alto grado de precisión. La desviación estándar fue inferior al 5% en la entrada e incluso al 2,5% en la salida. Las elevadas potencias de pico de los impulsos y las tasas de repetición de las nuevas fuentes de láser permitieron perforar agujeros precisos con una alta productividad.

La tecnología de los láseres y de los procesos está en constante evolución, por lo que cabe esperar nuevos avances en el taladrado por láser en los próximos años. En cuanto a las fuentes de haz, están aumentando los láseres de pulso ultracorto con mayores potencias. Tienen dos grandes ventajas: Por un lado, el procesamiento USP genera taladros más precisos, sin defectos o simplemente más suaves. Por otro lado, los láseres USP pueden procesar prácticamente todos los materiales. Hasta ahora, esto sólo se ha visto compensado por una velocidad de trabajo considerablemente menor. En el Clúster de Excelencia de Fuentes Fotónicas Avanzadas CAPS, expertos de varios Institutos Fraunhofer están desarrollando actualmente fuentes de haz con niveles de potencia muy superiores a los 10 kW, así como la tecnología de proceso necesaria. También deberían resolver el problema actual de la baja productividad de los láseres USP.

Estas potentes fuentes de rayos láser también permiten el uso de sistemas ópticos multihaz. Entre otras cosas, permiten perforar cientos o miles de agujeros en paralelo. En el proyecto SimConDrill ya se han perforado de este modo placas filtrantes para filtros de aguas residuales con millones de agujeros de 10 µm. Con estos agujeros tan pequeños, los filtros pueden utilizarse en las plantas públicas de aguas residuales para atrapar microplásticos hasta un rango inferior a 10 µm.

Los sistemas ópticos multihaz pueden configurarse de diferentes maneras: Se puede generar un gran número de haces parciales idénticos en paralelo mediante elementos ópticos difractivos. Se pueden utilizar moduladores especiales de cristal líquido para definir la distribución de los haces parciales casi a voluntad. También se pueden utilizar moduladores acústicos-ópticos para encender y apagar haces individuales.

En general, la tecnología de perforación láser está experimentando cambios dinámicos y fascinantes. Se están desarrollando nuevos procesos y los láseres, cada vez más potentes, están abriendo nuevas posibilidades en términos de geometrías de perforación y productividad. En particular, los grandes avances en las fuentes de haz USP permitirán muchas aplicaciones nuevas y emocionantes en la perforación láser en los próximos años. Fraunhofer ILT desarrolla conocimientos técnicos a partir de la investigación básica y los aplica a usos industriales y al desarrollo de sistemas.

Martin Reininghaus, responsable del Grupo de Micro y Nanoestructuración del Fraunhofer ILT. Fraunhofer ILT, Aachen, Alemania.

Dennis Haasler, del Grupo de Micro y Nanoestructuración del Fraunhofer ILT. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Alemania.

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