Encendido de láseres industriales

Si bien los avances más exóticos en láseres industriales tienden a ocupar los titulares, los fabricantes pequeños y medianos continúan aprovechando los beneficios de ahorro de tiempo y mano de obra de los sistemas de corte, soldadura y marcado de caballos de batalla de proveedores que combinan una guía intensiva de procesos con un software operativo más inteligente. .

Los avances que incluyen la unidad portátil LightWELD 1500 de IPG, los sistemas de fabricación aditiva de mayor rendimiento y los láseres de longitud de onda azul más robustos obtuvieron muchos elogios este año. LightWELD fue uno de los tres finalistas en la categoría de fabricación de los premios anuales PRISM presentados por SPIE, la sociedad internacional de óptica y fotónica.

Si bien los sistemas de corte, soldadura y marcado a gran escala tienden a ser el centro de atención en Ingeniería de Manufactura (y no lo defraudaremos, lo pondremos al día con estos sistemas más adelante en este artículo), vale la pena analizar las "riquezas en nichos" que se obtienen al dominar más Sistemas avanzados basados ​​en fotónica. Los talleres que invierten en el equipo de gama alta adecuado y navegan por el estricto proceso de validación de proveedores han tenido éxito, por ejemplo, en la fabricación médica por contrato.

Los otros dos finalistas de fabricación de PRISM, Boston Micro Fabrication (BMF) y nLight, Vancouver, Washington, introdujeron avances en la impresión 3D para aumentar la velocidad y la calidad de la producción industrial. El AFX-1000 de nLight "fue desarrollado para permitir la adopción generalizada de la fusión de lecho de polvo láser... fabricación aditiva de metal para la producción en serie", según un comunicado de prensa. El comunicado indicó que "se ha demostrado que el láser de fibra AFX de nLIGHT aumenta significativamente las tasas de construcción mientras mantiene una excelente calidad y consistencia del material. AFX logra estos resultados al permitir que el tamaño y la forma del haz se adapten en tiempo real, completamente dentro del láser de fibra, y sin el uso de ópticas complejas de espacio libre".

BMF ultimate ganó el PRISM 2021 por su impresora 3D de microprecisión microArch S240 adaptada a la producción industrial de tiradas cortas. El S240 "se basa en la tecnología patentada Projection Micro Stereolithography o PµSL de BMF, una técnica que permite la fotopolimerización rápida de una capa completa de polímero líquido utilizando un destello de luz ultravioleta a una resolución de microescala", según un comunicado de prensa. "La producción superior de piezas intrincadas, exactas y replicables hace que PµSL sea óptimo para casos de uso de piezas finales y creación de prototipos en una amplia gama de industrias, incluida la fabricación de dispositivos médicos, microfluidos, MEMS, biotecnología y productos farmacéuticos, electrónica, educación e investigación y desarrollo."

Para soldar componentes de cobre y aluminio en baterías de iones de litio, particularmente para vehículos eléctricos, los láseres azules se han vuelto prominentes gracias a que los metales absorben la longitud de onda a un ritmo mayor que la luz infrarroja. Nuburu, Centennial, Colo., nominado a PRISM 2017, ganó nuevas patentes este año para sus aplicaciones de soldadura e impresión 3D.

La soldadura de baterías "es un área bastante popular para los estudios de soldadura láser", señaló Mark Barry, vicepresidente de ventas y marketing de Prima Power Laserdyne para la empresa con sede en Brooklyn Park, Minnesota. En general, el interés en el procesamiento láser para piezas de precisión más pequeñas está creciendo. Un ejemplo de ello es el LASERDYNE 811, que fue desarrollado para aplicaciones de producción de motores de turbina, pero ahora está siendo adquirido por empresas con aplicaciones en el campo automotriz.

La fabricación de motores de turbina "recibió un tremendo golpe durante la pandemia", señaló Barry. "Varios programas de motores se detuvieron. Pero estamos gratamente sorprendidos de que en 2021, aunque todavía hay incertidumbre con los nuevos programas de motores, los proveedores de nivel 1 y 2 están preguntando sobre nuevos equipos".

En términos más generales, concluyó, "lo que es interesante ahora es el aumento de clientes potenciales e ingenieros con los que no hemos trabajado antes que están muy interesados ​​en las posibilidades de la unión por láser. En los últimos años hemos visto más y más empresas pensar e implementar diseños de componentes que le permitan considerar la soldadura por láser. Eso se debe a la velocidad del láser, las posibilidades de automatización y la consistencia en el procesamiento, y al simple hecho de que la industria no puede encontrar soldadores calificados, por lo que tenemos que reabrir la puerta para considerar el uso del procesamiento láser".

El proyecto paralelo de un fabricante (accesorios de aluminio para semirremolques) impulsó una inversión significativa en un sistema de soldadura láser que tiene a la empresa buscando más formas de utilizar el nuevo sistema.

Iowa Customs, Carroll, Iowa, un negocio derivado de Terad Fabricating, recurrió a Amada America Inc., Buena Park, California, cuando la demanda de sus escalones y componentes de iluminación se disparó, explicó Dan Belz, gerente de productos FLW de Amada.

"Ahora es difícil conseguir soldadores calificados, incluso en un área metropolitana, pero cuando estás en un área rural es mucho más difícil", señaló Belz. "Además de eso, los buenos soldadores de aluminio son más difíciles de conseguir; no es una soldadura fácil".

A medida que Iowa Customs crecía, el propietario pasaba nueve horas al día soldando con TIG docenas de productos. Al comprar un sistema láser de fibra Amada FLW3000 ENSIS, "recuperó sus días. El FLW está soldando no solo más rápido sino mejor porque no hay procesamiento posterior; simplemente puede enviar productos para anodizarlos", dijo Belz.

Iowa Customs diseña y construye sus propios accesorios, incluido un kit de iluminación auxiliar de 36 × 12 × 12" (91,44 × 30,48 × 30,48 cm). "Es de aluminio de peso considerable", dijo Belz. soldadura láser y ayudó bastante en el proceso. Pero sueldan mucho; son un taller inteligente, por lo que despegaron en la máquina rápidamente".

En la transición de la soldadura TIG a la soldadura por láser de fibra, explicó Belz, el rediseño de la pieza implicó la optimización para ajustes más ajustados. Para TIG, el accesorio es grande y pesado debido al calor y al alambre que se introducen en el proceso. "Se convirtió en un accesorio de lámina de metal: un calibre un poco más liviano, un poco más indulgente. Eliminamos el alambre y se obtiene una soldadura por fusión agradable, fuerte y limpia, y prácticamente eliminamos el esmerilado y el pulido".

Además, ahora "el operador maneja la mesa y el láser de corte; pasaron de ser un tipo que pasaba todo el tiempo soldando a él haciendo otra cosa y el operador del láser manteniendo y alimentando la FLW".

Mientras tanto, con el objetivo de las aplicaciones de soldadura TIG y MIG tradicionales, IPG lanzó su sistema de soldadura láser portátil LightWELD 1500 en noviembre de 2020. Diseñado como una unidad industrial refrigerada por aire y de alta confiabilidad, LightWELD ha sido adoptado por talleres de fabricación, empresas de HVAC y fabricantes de equipos pesados. y empresas aeroespaciales líderes, según John Bickley, director de marketing de sistemas de IPG. "Casi todos los que tienen aplicaciones de soldadura ligera que no son adecuadas para la fabricación automatizada se beneficiarán".

Con unas medidas de 316 × 641 × 534 mm, LightWELD es más pequeña que algunas soldadoras TIG tradicionales. La salida del sistema es ajustable hasta 1.500 W de potencia media del láser, con 2.500 W de potencia máxima, para producir soldaduras de acero y aluminio de una sola pasada de hasta 4 mm de espesor. Con un tamaño de punto de 150 µm para obtener precisión y una alta densidad de potencia para la compatibilidad con materiales reflectantes, la función de oscilación integrada de LightWELD permite ampliar el ancho de la costura hasta 5 mm. El alimentador de alambre automático opcional proporciona flexibilidad adicional para acomodar piezas con espacios de ajuste más amplios.

Al igual que con todas las soldaduras láser, LightWELD pone mucho menos calor en la pieza y crea menos daños y distorsiones inducidos por el calor que las soldaduras MIG y TIG tradicionales. Los usuarios de LightWELD informan tiempos de soldadura más rápidos que los métodos tradicionales y uniones que necesitan poco o ningún acabado posterior a la soldadura. La combinación de tiempo de soldadura más rápido, efectos de calor reducidos y tiempo de acabado reducido da como resultado un mayor rendimiento.

En comparación con los métodos tradicionales de soldadura manual que requieren una coordinación experta de la velocidad de desplazamiento, el tejido, la velocidad de alimentación del alambre y posiblemente el control del pedal, LightWELD, con su ancho de oscilación programable, es una técnica de soldadura más fácil de aprender y los principiantes pueden producir fácilmente buenas resultados después de solo un par de partes de práctica, según la compañía. Los parámetros de proceso recomendados por IPG se proporcionan para combinaciones típicas de materiales y espesores, lo que permite a los nuevos usuarios ser productores efectivos casi de inmediato.

Además del proceso de soldadura, el láser se puede utilizar para el acabado y la limpieza. Utilizando variaciones del proceso de soldadura, una "pasada cosmética" puede mejorar aún más el acabado y la apariencia de una costura de soldadura, y una función de limpieza opcional planificada proporcionará una capacidad de preparación de la superficie previa a la soldadura cuya aplicación no se limitará a piezas procesadas con láser.

En última instancia, "LightWELD pone mucho menos calor en la pieza y produce una unión visualmente atractiva y de alta calidad en menos tiempo", concluyó Bickley. "La soldadura LightWELD es fácil de realizar por parte de operadores relativamente inexpertos y jugará un papel importante para abordar la escasez crítica de capacidad de soldadura altamente calificada".

La flexibilidad de tener precisión láser dentro de un sistema de mecanizado CNC tradicional continúa ganando terreno en la optimización de los procesos de fabricación.

El sistema Laser L2000 de Marubeni Citizen-Cincom Inc. (MCC), que combina torneado, taladrado y fresado con corte, soldadura y grabado con láser de fibra, es particularmente útil para los clientes que normalmente no tienen máquinas alimentadas con barras, señaló Randy Nickerson, gerente de productos láser para MCC, Allendale, NJ

"Tener un láser dentro de nuestras máquinas multieje le permite no solo hacer cualquier trabajo de torneado (torneado) que pueda ser necesario antes o después de las características del láser, sino que también le brinda la capacidad de realizar cualquier desbarbado", explicó Nickerson. Si bien es posible que las piezas típicas deban girarse en un torno, refinarse con un láser y llevarse a un banco para desbarbarlas, "nuestro sistema en una máquina alimentadora de barras de nueve ejes con refrigerante a alta presión y control de neblina sería capaz de realizar todas esas funciones más económicamente. Esto eliminaría el tiempo de espera entre el torno y el láser y, en la mayoría de los casos, el tiempo de trabajo en banco por completo. Eso es un gran ahorro y reducción en el tiempo para obtener una pieza terminada".

Durante un tiempo, los clientes suizos tradicionales de MCC estaban dejando pasar muchas de las oportunidades de corte por láser "debido a la falta de un medio eficiente para producir las piezas", recordó Nickerson. "Eso nos llevó a investigar dónde se fabricaba ese tipo de piezas. Esto nos llevó al sector de fabricación de productos láser; estas empresas obtenían las piezas después de que se completaba el trabajo del torno y hacían solo las funciones láser. Hemos torneado algunas de esas fabricantes en un nuevo grupo de clientes suizos con la adición de la opción láser".

MCC ha desarrollado sistemas para insertar piezas en blanco precortadas en boquillas usando una variedad de cargadores. "El uso de alimentadores de tazones, alimentadores escalonados, robots y sistemas automáticos de carga y descarga diseñados por MCC ofrece a nuestros clientes herramientas para abordar y mejorar su proceso de fabricación. Esto es importante, especialmente cuando se fabrican componentes complejos".

La mayoría de las aplicaciones con las que se encuentra MCC "caen por debajo de los 20 mm de diámetro, y algunas tienen un tamaño inferior a 0,5 mm. Las piezas de diámetro pequeño son muy desafiantes porque no siempre se pueden ejecutar desde barras debido al tamaño y la inestabilidad de hacer girar una barra larga a altas rpm. ." El departamento de automatización de MCC diseña y construye unidades para manejar estos desafíos. "Hemos utilizado alimentadores de tazón para cargar piezas de menos de 0,5 mm y alimentadores escalonados de hasta 1,5 mm de diámetro. Muchas de estas piezas son tubos con un grosor de pared tan delgado como 0,004" (0,102 mm)".

Las potencias de láser están disponibles desde 100 W hasta 6,5 ​​kW, y todos están refrigerados por aire, lo que elimina la necesidad de un enfriador. "Ahora también tenemos un sensor de temperatura y humedad dentro de nuestro cabezal de corte para monitorear esos niveles y detenernos cuando uno de ellos aumenta hasta el punto de que la unidad podría dañarse".

Dado que el seguimiento y la trazabilidad son una parte cada vez mayor del control del rendimiento de piezas y productos originales, así como la prevención de falsificaciones, el marcado láser es "una gran industria en la que estar", dijo Nicholas Kaczmarski, gerente nacional de ventas de Beamer Laser Marking Systems, Flushing, miguel

Los estrictos requisitos para las industrias de armas de fuego, aeroespacial y médica están impulsando los avances en el marcado láser, especialmente cuando se trata de soluciones de ingeniería que incorporan automatización personalizada para aumentar el rendimiento y eliminar los errores del operador.

Con la industria de armas de fuego particularmente ocupada, Kaczmarski señaló que el marcado que se había realizado en las mismas máquinas CNC en las que se fabricaron los componentes se está trasladando a sistemas de marcado dedicados. Marcar esas partes en la máquina CNC podría llevar de 30 segundos a dos minutos, explicó; ahora, ese tiempo se dedica exclusivamente a la producción de piezas.

Si bien Kaczmarski espera que los mercados médico y automotriz se recuperen a medida que esas industrias se alejan de los inventarios justo a tiempo necesarios por la pandemia de COVID-19, señaló que "estamos comenzando a ver un aumento dramático en las aplicaciones de marcado láser para la industria aeroespacial". ." Gracias al estándar de marcado Mil-Std 130N del Departamento de Defensa, así como a la aprobación de la FAA del marcado láser, las aplicaciones de marcado aeroespacial comercial y de defensa serán un componente importante de lo que Kaczmarski predice que será un "aumento exponencial en la industria del marcado en los próximos 25 años."

Aproximadamente el 70 por ciento de las aplicaciones se pueden resolver con una variación de una de las soluciones estándar de Beamer, explicó Kaczmarski, "mientras que el 30 por ciento de todas las soluciones de marcado láser industrial se resuelven con nuestras soluciones de ingeniería o en línea".

En el caso de un cliente de armas de fuego, Beamer diseñó un sistema que mejoró el rendimiento en un 20 por ciento mediante el empleo de un sistema láser galvo de 100 W y un equipo de extracción de humos del proveedor asociado TBH GmbH, Straubenhardt, Alemania. El software Marking Creator 3.0 de Beamer ofrece "una ventaja competitiva única" gracias a que permite a los usuarios cambiar "una multitud de parámetros adicionales" poco comunes en el software de marcado típico.

En Dapra Marking Solutions, Bloomfield, Conn., expandir la "ventana de marcado láser" ha sido una prioridad, según Dave Noonan, vicepresidente.

Los sistemas de marcado basados ​​en galvanómetros de Dapra están a punto de obtener una actualización de interfaz para permitir a los operadores marcar áreas más grandes más fácilmente, explicó Noonan. A diferencia de los láseres montados en los pórticos elevados, las unidades galvo marcan desviando los rayos con un espejo, lo que permite ajustar los ángulos dentro de los límites de un área de marcado.

"A menudo hablamos con personas que tienen aplicaciones como una placa de identificación de 9" (22,86 cm), o que quieren agrupar varias piezas", explicó Noonan. "El problema no es que la tecnología no exista, podemos hacer XYZ plataformas, pero el lado del software de la ecuación es donde el caucho se encuentra con la carretera, y ahí es donde fallan la mayoría de las interfaces láser que he visto". Esto permitirá a los usuarios marcar, por ejemplo, dentro de una ventana de 24 in2 (155 cm2) a diferencia de un espacio más común de 4 × 7" (10,16 × 17,78 cm). La "interfaz de operador mucho más simplificada de Dapra brinda al cliente la capacidad de marcar ventanas de marcado mucho más grandes sin necesidad de que un ingeniero la configure y la ejecute".

Y, dado que la capacidad de las plataformas de marcado XYZ a menudo puede duplicar el costo de un sistema, Dapra está trabajando para hacerlas más asequibles, agregó Noonan.

"Sentimos que tenemos un verdadero ganador aquí, porque ahora somos escalables. Si está marcando armas de fuego y quiere hacer cañones y alinear 10 pistolas debajo de un cabezal láser, ya sea que el sistema sea de estilo abierto o cerrado —podemos proporcionar cualquiera de los dos— los clientes tendrán la capacidad de interactuar con cualquier área de esa arma de fuego mientras se encuentra allí".

Esta capacidad de marcado de área más amplia basada en galvo estará disponible bajo un par de nombres de sistemas, dijo Noonan. "Actualmente nombramos nuestros productos por carcasa láser", pero el plan es comenzar a orientar las máquinas a industrias individuales, incluidas la médica, aeroespacial, energética y automotriz.

Una visita a la Smart Factory de Trumpf en Chicago fue el comienzo de una colaboración que ha dado grandes dividendos al proveedor de equipos de seguridad con sede en Tanner, Alabama, Claborn Manufacturing.

Buscando reducir la mano de obra y el peso de las piezas para sus puertas de seguridad metálicas huecas de 36 × 84" (91 × 213 cm), Claborn redujo el peso en un 20 por ciento, eliminó los pasos de acabado y empleó sobrantes de láminas delgadas en la construcción.

Originalmente, Claborn fabricaba sus puertas usando soldadura por puntos de resistencia para unir las secciones del sombrero en cada lámina frontal y luego usando procesos manuales GMAW para soldar las mitades juntas, recordó el ingeniero de diseño de productos Ric Hall. Múltiples soldaduras de tapón que requerían una mano de obra intensiva para rellenar y esmerilar antes de imprimar y pintar ralentizaron aún más el proceso, agregó el gerente de planta, Jeff Fulks.

En la Smart Factory de Trumpf, Masoud Harooni, gerente de productos de soldadura por láser, demostró métodos que ahorran tiempo y catalizaron un rediseño de las puertas de Claborn para una producción más eficiente y repetible.

"Todas las costuras en un lado de cada puerta tuvieron que cortarse, soldarse con MIG y luego rectificarse", explicó Harooni. “Ahora, estas son costuras soldadas con láser. El primer paso es para la penetración del calor y el segundo es para la conducción del calor con un haz más desenfocado” que brinda un acabado más estético.

Desde que comenzó su colaboración, "Trumpf ha enviado soporte de aplicaciones para ayudarnos en numerosas ocasiones para ayudarnos a superar los desafíos", dijo Hall. "Cuando las personas ven la automatización, ven el producto final y ven al robot ejecutando todo a la perfección, pero lleva un tiempo llegar a eso. Tienes que arreglar tus piezas para que las costuras estén en el mismo lugar una y otra vez". tiempo."

El software TruTops Weld de Trumpf permite a Claborn cargar modelos de piezas en 3D en un entorno virtual y trazar con precisión cada soldadura; cada puerta requiere unos 20 minutos de soldadura.

La creación de un equipo de cuatro personas para diseñar un flujo de trabajo óptimo fue fundamental para el éxito de Claborn, explicó Fulks. El equipo incluye a Hall, un programador dedicado y dos operadores. "Enfocamos mucha atención en desarrollar conjuntos de habilidades específicas para cada uno de esos roles para investigar y desarrollar nuestro nuevo diseño de puerta mientras tomamos en cuenta el uso de la soldadora láser y el sistema robótico", agregó Fulks.

Cuando las puertas finalmente se sometieron a la prueba de agresión física de ASTM, "cumplimos fácilmente con el grado de seguridad más estricto de la industria", dijo Hall.

Después de optimizar su proceso, Claborn también aplica su equipo Trumpf (una TruLaser 1030 para corte plano, una punzonadora y láser TruMatic 6000 y una celda TruLaser 5000XL con sistema de transporte de piezas) para fabricar paneles de techo y pared. La compañía también está explorando qué otros tipos de trabajo pueden manejar sus sistemas.

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