La K 2007 de Düsseldorf presentará del 24 al 31 de octubre de este año una panorámica completa de las infinitas posibilidades que la tecnología láser ofrece a la industria transformadora del plástico.
El descubrimiento del láser ha pasado más desapercibido que el de la bombilla, el automóvil o el teléfono. Las primeras aplicaciones de haces de luz amplificados empezaban a causar furor hace apenas cincuenta años. Hoy en día, la radiación láser es un instrumento imprescindible no sólo en el mecanizado de metales, sino también en la medicina, en los sistemas de medición, datos y control y, naturalmente, en la industria transformadora del plástico. Aquí, la tecnología láser se utiliza para soldar, cortar y grabar y también para sinterizar, endurecer, acondicionar, limpiar y llevar a cabo controles de calidad.
El físico Albert Einstein (1879 – 1955) ya descubrió en el año 1917 cuando trabajaba como Profesor en la Universidad de Berlín que podían amplificarse haces de luz completamente normales, un proceso que denominó "emisión inducida o estimulada". El descubrimiento del que unos años después sería Premio Nobel quedaría, no obstante, guardado en un cajón todavía durante unos cuantos años. Tuvo que pasar medio siglo para que en 1968 salieran al mercado los primeros láser CO2, que permitían por primera vez la explotación industrial y comercial de la estimulación de haces de luz. Algunos años antes, en 1960, el físico estadounidense Theodore Harold Maiman había conseguido presentar el primer láser que funcionaba. Él fue quien bautizó el invento con el nombre de "láser" (del inglés Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, amplificación de la luz mediante emisión estimulada de radiación), el término con el que todavía se le conoce hoy. Maiman, nacido en 1928, construyó un láser de rubí bombeado por una lámpara de flash y explicó su emocionante experiencia con el láser en el libro "The Laser Odyssey". Actualmente vive en Vancouver, en la costa oeste de Canadá.
Los primeros años del láser
Inmediatamente después de que Theodore H. Maiman consiguiera construir un amplificador de luz de este tipo en la región del espectro visible, se inició una carrera desenfrenada y, a menudo, tempestuosa para situarse a la cabeza del desarrollo del láser. A mediados de los sesenta apareció la primera generación de láser sólidos pulsados para el mecanizado de materiales. Los primeros láser probados en laboratorio habían demostrado que con el rayo láser podían perforarse sin problemas hojas de afeitar. Éstas habían sido concebidas en un principio como dispositivos protectores del rayo, pero la casualidad hizo que acabaran demostrando las enormes posibilidades del láser en el mecanizado de materiales. A partir de ese momento, los haces de luz amplificados y estimulados en un medio activo se convirtieron en un instrumento imprescindible en el sector.
Hoy en día, el láser es un instrumento universal que se utiliza en múltiples ámbitos de nuestra vida cotidiana. Los distintos láser de estado sólido no sólo se utilizan a nivel industrial para cortar, soldar, marcar, doblar o perforar materiales, sino también en el ámbito doméstico para transmitir datos, reproducir CD o DVD o para imprimir fotografías en una impresora láser, por ejemplo. En la medicina general, el láser se utiliza principalmente para realizar diagnósticos, por ejemplo para medir la circulación y el flujo sanguíneo. En oftalmología, el láser permite corregir la miopía y la hipermetropía y tratar un desprendimiento de retina posterior, entre otras patologías. En cirugía, el láser se utiliza principalmente para realizar endoscopias y como bisturí. También es extremadamente eficaz para eliminar varices, manchas hepáticas o tatuajes, por ejemplo, para lo cual suelen utilizarse los láser de pulso ultracorto, que permiten destruir y eliminar pigmento subcutáneo.
La medicina no es sin embargo el único ámbito en el que el láser puede desplegar todas sus cualidades. Los rayos láser nos permiten medir la tierra de forma exacta, detectar desplazamientos tectónicos y advertir de la formación de un tsunami, por ejemplo. En la construcción de túneles, el láser permite avanzar en línea recta bajo tierra, y en el supermercado los lectores láser de códigos de barras posibilitan una rápida contabilización de la compra. La policía, por su parte, también utiliza pistolas láser como radar para controlar la velocidad de los conductores.
El láser como instrumento
El láser se ha consolidado desde hace muchos años como un instrumento esencial también en la industria transformadora del plástico. Al igual que en la industria metalúrgica, el láser se utilizaba al principio básicamente para cortar, a menudo combinado con el corte por chorro de agua tan en boga en aquel momento. Cada vez más, sin embargo, el láser se utiliza para unir plásticos, aunque todavía existen en este ámbito ciertas limitaciones en cuanto al material y al método de soldadura.
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| Fotografía: Importante avance en un campo todavía joven: láser de diodos de última generación (foto de Jenoptik). |
En la realización rápida de prototipos (RP), por el contrario, el láser es un instrumento absolutamente imprescindible. Con el rayo láser se funde el material y se construye el prototipo, creando los primeros moldes provisionales que también pueden servir para fabricar piezas en pequeñas series. El láser permite marcar y estampar piezas de plástico, grabar rodillos de imprenta y realizar controles de calidad de piezas moldeadas, piezas que posteriormente se trasladan al almacén por medio de un sistema de transporte automático guiado, naturalmente, por láser.
En marzo de 2004, un artículo publicado en la revista alemana especializada "Kunstoff Magazin" hacía referencia a otros nichos del mercado de los polímeros en los que también se había asentado el láser. El artículo se refería, entre otros, al ámbito de los controles de calidad y de producción y para ilustrarlo describía un revolucionario sistema de medición de la empresa alemana Elovis, capaz de obtener mediciones extremadamente exactas de materiales difíciles de medir. El sistema utiliza la tecnología láser para medir la velocidad y la longitud de tiras continuas de material textil tejido y no tejido, plástico, papel y también metal. La utilización de rayos láser permite realizar una medición exacta independientemente del material y sin necesidad de calibrado.
La aplicación de la técnica láser para el grabado y marcado de piezas moldeadas de distintas formas y materiales ofrece también múltiples posibilidades. El láser permite grabar en el objeto texto, cifras, logotipos o códigos con una precisión de milésimas de milímetro, lo cual en el ámbito de la logística posibilita la identificación y trazabilidad de componentes individuales o incluso de lotes enteros. La empresa Rofin Sinar Laser GmbH, que ofrece según sus propios datos una amplia gama de dispositivos de grabado láser y sistemas completos de marcado, se ha centrado en el aprovechamiento de las ventajas que ofrece el láser en este ámbito, entre otras rapidez y precisión, elevada flexibilidad en cuanto a tamaños de lote y establecimiento de un proceso sin esfuerzo y sin contacto.
Del láser de rubí al láser de diodo
El láser de rubí desarrollado por Maiman, un láser de estado sólido, constituyó el pistoletazo de salida para la exitosa carrera del láser. Al láser de Maiman le siguieron los láser de gas, los láser semiconductores y, finalmente, los láser de diodo. El corazón de cualquier láser es el medio activo, que recibe energía, generalmente energía luminosa, de una fuente de luz intensa, lo que se denomina bombeo óptico. Los átomos del medio activo emiten esta energía en forma de luz coherente, es decir, ondas luminosas que están en fase tanto en el tiempo como en el espacio. Dos espejos se encargan de reflejar la luz varias veces en la cavidad óptica antes de que salga proyectada en forma de rayo láser de uno de los espejos, parcialmente reflectante, para ser utilizada de distintas maneras.
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| Fotografía: Globo-Welding para la soldadura láser tridimensional de componentes plásticos (foto de Leister). |
En el caso del láser de dióxido de carbono (CO2), ampliamente utilizado todavía hoy, el medio activo se genera a partir de una descarga en efluvio en una mezcla de helio, nitrógeno y carbono. El láser de Nd:YAG, también muy común, responde a otro principio de funcionamiento: en este láser de estado sólido de primera generación, el medio activo consiste en una barra cristalina compuesta por los elementos químicos itrio, aluminio y granate (YAG) y dopada con neodimio. A finales de los años ochenta del siglo pasado, la tecnología de semiconductores permitió finalmente construir y comercializar sistemas de láser de diodos altamente activos y con una vida útil cada vez más larga. Con una potencia relativamente reducida, este tipo de láser presenta un enorme potencial, que se pone especialmente de manifiesto en los reproductores de CD y DVD y también en la soldadura por láser de plásticos.
Aunque esta última aplicación del láser todavía está en una fase incipiente, su futuro como técnica de unión alternativa para soldar piezas de materiales polímeros es muy prometedor. La empresa alemana Jenoptik es una de las pioneras en este extenso campo. Desde muy temprano, Jenoptik destinó importantes recursos a la investigación y al perfeccionamiento de la soldadura por láser, un método que ha conseguido hacerse un hueco como alternativa a las técnicas de unión térmicas y mecánicas así como al remachado y encolado. Esta técnica presenta, no obstante, una limitación importante: como mínimo uno de los materiales a unir debe absorber bien la luz láser con su longitud de onda específica. Por lo demás, el método ofrece numerosas ventajas: el aporte energético se realiza sin contacto y sin forzar el material, lo que permite soldar piezas delicadas de elevada sensibilidad mecánica. El aporte térmico está perfectamente definido, tanto en temperatura como en geometría, y durante el proceso de soldadura en sí no se producen ni abrasión ni escapes de material fundido en el cordón.
El reto: aumentar la calidad del rayo
En opinión de la empresa suiza Leister, fabricante de equipos de soldadura para la industria del plástico, actualmente existen dos tendencias principales de desarrollo en el ámbito de la soldadura por láser. Por una parte, en la investigación relacionada con los polímeros, la tendencia apunta hacia la modificación de los materiales y el desarrollo de aditivos especiales que se añaden a las materias primas para mejorar su comportamiento ante la soldadura láser y permitir así una mayor flexibilidad en la unión de piezas de plástico. Por otra parte, los transformadores y fabricantes de equipos se centran en la optimización de las técnicas de unión existentes o incluso en el desarrollo de técnicas completamente nuevas.
Según representantes de la empresa alemana Optotools, el hecho de que la soldadura por láser aún no haya podido posicionarse con más vigor en el mercado se debe fundamentalmente a la calidad todavía insuficiente del rayo de los módulos láser disponibles. La firma apuesta por un láser de diodos con acoplamiento de fases de última generación para solucionar este problema. De este láser de nuevo desarrollo destacan sobre todo la construcción modular y los buenos resultados obtenidos con la radiación que genera, por lo que podría instalarse también en los llamados "galvo-scanner". En esta combinación, los nuevos módulos posibilitarían un proceso de unión prácticamente simultáneo, idóneo para la soldadura láser. Según Optotools, el aumento del número de ciclos resultante mejora sustancialmente la productividad del sistema. Una afirmación que corrobora el hecho de que la división de soldadura de plásticos de la empresa alemana LPKF Laser und Electronics AG apueste por los módulos láser de Optotool.
En LPKF hace ya tiempo que se valoran las ventajas de este nuevo método de unión —más económico y, sobre todo, más respetuoso con el material— como alternativa a la soldadura por ultrasonidos y al encolado. Esta empresa afirma que la soldadura por láser es limpia, permite un buen control del aporte energético y los esfuerzos mecánicos a los que se someten las piezas son muy reducidos. Desde LPKF explican que el láser despliega todas sus cualidades especialmente en la soldadura de material delicado, como son los componentes electrónicos o los elementos sensibles utilizados en la tecnología médica, puesto que reduce sustancialmente la producción de piezas no conformes.
Texturar y perforar
Por si todo esto fuera poco, el láser también ha demostrado sus indudables cualidades en otros ámbitos de la industria transformadora del plástico, como por ejemplo en la tecnología de microsistemas. Arnold Gillner, desde 1994 director de departamento en el Instituto Fraunhofer para tecnologías láser de Aachen, explica que el texturado de superficies de materiales plásticos por láser ha demostrado su eficacia como complemento a los métodos convencionales. El texturado por láser resulta especialmente idóneo en piezas de geometría pequeña que además requieren una máxima protección de los elementos sensibles. En un artículo para la revista especializada alemana "Kunststoffe" (nº 6/2005), Gillner sostiene que "con nuevas fuentes de radiación y materiales diseñados a medida del proceso, los límites del mecanizado pueden ampliarse hasta el ámbito nanométrico".
Otro ejemplo más es el centro de mecanizado "Votan A" de la empresa Jenoptik, que aprovecha la fuerza del láser por partida doble. Por una parte, la máquina realiza en el tablero de instrumentos de un coche los puntos de rotura controlada para el airbag del acompañante y, por otra, recorta el contorno y los márgenes de toda la pieza. La zona de rotura controlada se forma grabando con el láser una hilera de microperforaciones con una geometría determinada en la cara posterior del tablero, conservando al mismo tiempo el aspecto intacto de la cara vista. Jenoptik destaca que los dos módulos láser integrados en el centro de mecanizado trabajan principalmente como unidades independientes, aunque existe la posibilidad de utilizar una fuente láser de CO2 común para fabricar pequeñas series y reducir costes.
Además, la tecnología láser se utiliza para la eliminación de restos de material en moldes y herramientas de empresas transformadoras, así como para preparar las superficies de diversos materiales para su posterior estampación o encolado. También aquí se ponen de manifiesto las ventajas de la técnica láser: tratamiento de las piezas parcial y sin contacto, facilidad de integración de las operaciones necesarias en la continuidad del proceso de producción y un impacto medioambiental prácticamente nulo. Estos son precisamente los puntos fuertes que permitirán al láser conquistar cada vez más terreno y convertirse en un instrumento imprescindible en la transformación y el mecanizado de plásticos. Convénzase usted mismo en la K 2007 de Düsseldorf que se celebrará a finales de octubre de este año
Wilmer J Sánchez V-19358601
CAF - Parcial 3
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