CO2 vs. Tecnología de fibra: ¿Cuál es la adecuada para Usted?

CO2 vs. Tecnología de fibra: ¿Cuál es la adecuada para Usted?

Diciembre 2020

Este análisis cuidadoso y exhaustivo examina no sólo el equipo de corte en sí mismo, sino también el impacto que el nuevo equipo tendrá en otros procesos existentes de fabricación de lámina y placa metálicas.

Evolución de la tecnología de láser de fibra

El corte por láser de fibra ha sido una de las tecnologías más "disruptivas" introducidas en el mercado del sheet metal desde que los láseres de corte de CO2 fueron introducidos por primera vez en la década de 1980. La tecnología láser de fibra se considera un cambio disruptivo y "revolucionario" porque ha impactado todo el estatus quo en los procesos de lámina y placa metálica. Y las oportunidades son fáciles de realizar.

En un período de tiempo relativamente corto hemos visto avances exponenciales en la tecnología de láser de fibra utilizado para el corte de metales planos. En sólo cinco años, los láseres de fibra alcanzaron la capacidad de corte con 4kW que los láseres de CO2 tardaron aproximadamente cuatro veces más en alcanzar. Después de diez años, los láseres de fibra han alcanzado el rango de 15kW de potencia lo cual el corte por láser de CO2 nunca lo logró. Para ser justos, los láseres de fibra, algunos de los cuales superan los 20 kW, han sido utilizados por otras industrias durante muchos años en aplicaciones distintas del corte de lámina y placa metálica.

Ventajas de la tecnología de láser de fibra

Las principales ventajas de cortar la hoja plana de metal con tecnología láser de fibra se derivan de su configuración de diseño monolítica, Fibra a Fibra de estado sólido compacto que es libre de mantenimiento y proporciona un costo de operación mucho más bajo que el que se ofrece con láseres de CO2 comparables.

Las características del rayo láser de fibra también proporcionan velocidades de corte mucho más rápidas que las del CO2 como exploraremos a continuación.

El rayo enfocado de un láser de fibra de 2kW demuestra una densidad de potencia 5 veces mayor en el punto focal cuando se compara con un láser de CO2 de 4kW. También posee una característica de absorción 2.5 veces mayor debido a la menor longitud de onda del láser de fibra. (véase la figura 1 y la figura 2).

La mayor absorción de la longitud de onda de la fibra y la mayor densidad de potencia creada por el haz enfocado se combinan para lograr un aumento de hasta cinco veces en la velocidad de corte en materiales que son menos de 12 mm de espesor.

Los sistemas de corte por láser de fibra pueden ciertamente cortar más de 1 pulgada de grosor con mayores potencias de láser de fibra e incluso cortar más rápido cuando utilizan nitrógeno como gas de asistencia, pero el "punto clave" donde se obtienen los beneficios más significativos al cortar acero están en el rango de 12 mm y hacia abajo cuando se hacen comparaciones con los sistemas de CO2. Seguramente, si estás procesando materiales cómo acero inoxidable, aluminio, latón o cobre, la tecnología de láser de fibra es la más rápida y económica sin importar el espesor.

Figura 1. Comparación de la densidad de potencia de los láseres de CO2 y de fibra en el punto focal.
Figura 1. Comparación de la densidad de potencia de los láseres de CO2 y de fibra en el punto focal.
Figura 2. Comparación de la absorción entre los láseres de CO2 y de fibra basada en las longitudes de onda y el grosor.
Figura 2. Comparación de la absorción entre los láseres de CO2 y de fibra basada en las longitudes de onda y el grosor.

Los beneficios de la velocidad son más profundos cuando se emplea nitrógeno como gas de asistencia porque el material fundido es expulsado del corte por el nitrógeno tan rápido como se derrite. Cuanto mayor sea la densidad de potencia del rayo láser, más rápido se lleva el material al estado de fusión, más rápido es el avance en el corte.

Piezas de chapa de 3.18 mm de espesor y corte con un sistema de láser de fibra.
Piezas de chapa de 3.18 mm de espesor y corte con un sistema de láser de fibra.

La utilización eficaz de los beneficios de la velocidad de los láseres de fibra de alta potencia requiere una planificación y gestión cuidadosas de todos los procesos. Con un rendimiento tres o cuatro veces mayor y un costo de operación que es la mitad del láser de CO2, las ganancias financieras pueden cambiar el juego. Los resultados son un menor costo por pieza, mayores márgenes de beneficio potencial y un menor tiempo de retorno de la inversión. No olvidemos el beneficio añadido de una mayor capacidad de la máquina ahora que está procesando los volúmenes de piezas normales mucho más rápido, lo que proporciona la oportunidad de asumir trabajo adicional para aumentar aún más sus ingresos por ventas y beneficios.

La fibra puede cortar cobre, latón y aluminio mucho mejor y de forma más segura que el CO2 porque el rayo se absorbe más fácilmente y no se refleja. Los costos de operación del láser de fibra son típicamente la mitad de lo que un sistema de CO2 puede ofrecer debido al menor consumo eléctrico y a la alta eficiencia eléctrica de los láseres de fibra.

Uno de los últimos avances en el corte con Fibra es la utilización de la tecnología “Beam Shaper” que ajusta el perfil del rayo al cortar materiales gruesos con Oxígeno. Debido a que el láser de fibra se envía a través de fibras ópticas, el perfil del rayo es intrínsecamente pequeño y crea un canal estrecho a medida que se enfoca a través del material. Si bien esto es una ventaja para la densidad de potencia al cortar con nitrógeno como gas de asistencia, no es el caso del corte asistido por oxígeno. Al cortar con oxígeno, se requiere un perfil de rayo más ancho con menor densidad de potencia, ya que crea un canal más amplio en el material por el cual expulsar el acero fundido. El perfil más amplio del rayo produce velocidades de corte más rápidas y mayor calidad del borde de corte en aceros más gruesos. La tecnología “BeamShaper” logra el perfil del rayo más ancho que se requiere para lograr un mayor desempeño y mejor calidad de corte.

Pieza de acero al carbón de 32 mm cortada a 635 mm/min con un Láser Fibra de 15KW
Pieza de acero al carbón de 32 mm cortada a 635 mm/min con un Láser Fibra de 15KW

Hay muchos aspectos de la operación de un láser de CO2 que no existen con la operación de un láser de fibra:

  • Los láseres de fibra no necesitan ningún tiempo de calentamiento - típicamente unos 10 minutos por arranque para un láser de CO2.
  • El láser de fibra no requiere mantenimiento de la trayectoria del rayo, como la limpieza de espejos o lentes, controles de fuelles y alineaciones de rayos. Esto puede consumir otras 4 o 5 horas por semana para un láser de CO2.
  • Los láseres de fibra tienen una trayectoria del rayo de fibra óptica totalmente sellada tanto en la fuente de energía como en la entrega de la fibra al cabezal de corte. El rayo no está sujeto a contaminaciones en la trayectoria del haz como en el caso de los láseres de CO2.
  • Las trayectorias de los rayos de fibra óptica mantienen un centrado consistente del haz de la boquilla.

Debido a que la integridad del rayo de fibra se mantiene constante día a día, también lo hacen los parámetros de corte, que requieren muchos menos ajustes que un láser de CO2.

Piezas de metal gruesas de más de 6.35 mm cortadas con un sistema de corte por láser de fibra.
Piezas de metal gruesas de más de 6.35 mm cortadas con un sistema de corte por láser de fibra.

¿Qué pasa con todo este tiempo ahorrado? ¡Mayor productividad y mayor capacidad de la máquina! Con un láser de fibra capaz de alcanzar velocidades de corte cinco veces más rápidas, generando de tres a cuatro veces más piezas por unidad de tiempo y junto con un 50% menos de costos operativos en comparación con el CO2, esto representa una gran oportunidad basada en haber creado más capacidad en la máquina.

Si está usando varios láseres, tal vez podría considerar reemplazar dos máquinas de corte láser de CO2 por un láser de fibra.

La pregunta sobre cuál tecnología es la adecuada para usted se reduce a su operación. ¿Qué tan bien se ajusta este sistema a su aplicación en particular? ¿Cuánto más rápido y cuánto más rentable se van a producir sus piezas? Con esto en mente, será necesario hacer un análisis cuidadoso de los datos pertinentes, incluyendo el rango de aplicación, los costos de operación, el rendimiento, el costo de propiedad y, por supuesto, los costos de inversión.

Cualquiera que sea la conclusión final, no olvide el impacto de esta inversión en sus procesos posteriores:

¿Qué efecto tiene la adición de este nuevo sistema de corte por láser en el flujo de operaciones antes y después de que las piezas sean cortadas?

Ciertamente, hay que saber y preparar de antemano a los departamentos de ingeniería, estos también deberán ponerse al día porque necesitarán mantener la productividad del láser de fibra, esto ayudará a que los fabricantes actualicen sus procesos de desarrollo para mantener el láser de fibra cortando, en lugar de esperar los trabajos. Saber que los materiales deberán ser presentados al láser de fibra de manera oportuna impulsará una nueva eficiencia en el manejo de materiales y en el inventario. Saber que el aumento del volumen de las piezas cortadas debe satisfacerse con capacidad adicional de doblez ayudará a preparar el área de plegado para el aumento de volumen. Para los fabricantes que utilizan sistemas de corte por láser de CO2, el paso a la tecnología de fibra representa una enorme ventana de oportunidad que no se debe pasar por alto.

Sobre el autor

Frank Arteaga es el director de marketing de productos de Bystronic Inc.

Publicado originalmente en julio de 2013. Revisado en enero de 2021.

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