¿Qué es la perforación láser? | Proceso | 4 Aplicaciones importantes

PERFORACIÓN LÁSER

¿Qué es la perforación?

La perforación se refiere a un método de corte utilizado para producir un agujero que tiene una sección transversal redonda en sólidos. La broca estándar suele ser una herramienta de corte giratoria hecha de metales duros. Como alternativa a la técnica de perforación estándar que utiliza la broca, en la actualidad se han inventado diferentes metodologías avanzadas para hacer frente a las demandas industriales.

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¿Qué es la perforación láser?

La perforación con láser se refiere al método de formación de agujeros pasantes, también conocido como agujeros "perforados por percusión" o agujeros "reventados" mediante el uso de láseres. Esto se obtiene enfocando repetidamente un rayo láser pulsado de alta potencia sobre un material como metal, aleación, etc.

Los orificios generados por este proceso pueden tener un diámetro tan pequeño como 0.002 pulgadas o 50 micrómetros. El diámetro de los orificios se puede aumentar según las necesidades moviendo el láser alrededor de la circunferencia del orificio perforado por percusión. Este método se denomina "trepanación".

perforación láser
Perforación láser. Fuente de imagen: TRUMPF GmbH + Co. KGLasertechnik06CC BY-SA 3.0

¿Cuáles son las aplicaciones de la perforación láser?

  • La perforación con láser es una técnica que es capaz de producir orificios con una relación de aspecto alta o con una relación entre la profundidad y el diámetro de mucho más de 10: 1.
  • Los orificios de alta relación de aspecto perforados con la ayuda de láseres se utilizan para varios usos diferentes, como los orificios de enfriamiento del motor de turbina aeroespacial, la galería de aceite de algunos bloques del motor, las microvías de la placa de circuito impreso y los componentes de fusión láser.
  • Los fabricantes de motores de turbina para la generación de energía y la propulsión de aeronaves prefieren encarecidamente el uso de láseres para perforar orificios cilíndricos pequeños (con un diámetro de 0.3 a 1 mm, en general) en la superficie de láminas de metal, fundición y componentes mecanizados a una temperatura de 15ºC. 90 °. La perforación con láser puede producir agujeros en ángulos muy poco profundos con respecto a la superficie del material con una velocidad de 0.3 a 3 agujeros por segundo. Esto ha permitido la formación de nuevos diseños que incluyen orificios de enfriamiento de película para reducir el ruido, mejorar la eficiencia del combustible y reducir las emisiones de CO y NOx.
  • Los avances en el proceso de las tecnologías de control y uso del láser han llevado a un aumento considerable del número de orificios de refrigeración presentes en los motores de turbina. El mayor uso de orificios perforados con láser depende de una serie de parámetros como la calidad del orificio y la velocidad de perforación.
Agujeros perforados con láser en un bloque de motor. Fuente de imagen: 160SXBloque de cilindros para V6 DieselCC BY-SA 3.0

¿Cómo funciona el proceso de perforación láser?

Los orificios cilíndricos se perforan con láser generalmente mediante el proceso de vaporización o ablación y fusión del material dado. Esto sucede debido a la absorción de energía proporcionada por un rayo láser enfocado. La fusión de un material requiere un suministro de energía de aproximadamente el 25% de la necesaria para vaporizar el mismo volumen de material. Por esta razón, a menudo se prefiere el proceso de fusión al proceso de vaporización.

Para la perforación con láser, se pueden utilizar tanto la fusión como la vaporización dependiendo de varios factores. La duración y la energía del pulso láser son factores determinantes importantes. Se prefiere la vaporización o la ablación cuando se utiliza un láser Nd: YAG de conmutación Q para la perforación con láser. Cuando se utiliza un láser de Nd: YAG bombeado con tubo de flash, se favorece el proceso de expulsión de la masa fundida que crea un agujero a través de la fusión del material.

Generalmente, un láser Nd: YAG Q-Switched viene con

  • Una tasa de eliminación de material de unos pocos micrómetros / pulso,
  • Pico de potencia en el rango de unos diez a cientos de MW / cm2.
  • Una duración de pulso en el rango de unos pocos nanosegundos,

Por otro lado, un láser Nd: YAG bombeado por lámpara de destello generalmente viene con

  • Una duración de pulso en el rango de cientos de microsegundos a unos pocos milisegundos,
  • Pico de potencia en el rango de sub MW / cm2.
  • Una tasa de eliminación de material de diez a cientos de micrómetros / pulso.

La ablación y la expulsión de la masa fundida pueden existir simultáneamente para los procesos de mecanizado por cada láser. La expulsión de la masa fundida se produce debido a la rápida acumulación de presión gaseosa o fuerza de retroceso dentro de una cavidad formada por evaporación. Se debe generar una capa fundida y los gradientes de presión que afectan la superficie debido a la vaporización deben ser lo suficientemente grandes como para cruzar las barreras de fuerza de tensión superficial y expulsar el material fundido del orificio, para que se produzca la expulsión de la masa fundida.

La expulsión de la masa fundida fina y gruesa puede ser proporcionada por un solo sistema que se conoce como “lo mejor de ambos mundos”. La expulsión de masa fundida fina forma características del material con gran definición de pared y pequeñas zonas afectadas por el calor. Considerando que, la expulsión de masa fundida gruesa es capaz de eliminar materiales rápidamente sin mucha precisión de calidad y se utiliza en la perforación y trepanado por percusión.

La temperatura máxima influye mucho en la función de fuerza de retroceso. La tensión superficial y las fuerzas de retroceso son iguales cuando el valor de TCr es igual a la temperatura crítica en caso de expulsión de líquido. Por ejemplo, la expulsión de líquido del titanio puede ocurrir cuando la temperatura supera los 3780 K en el centro del orificio.

¿Qué son los láseres Nd: YAG?

Nd: YAG (granate de itrio-aluminio dopado con neodimio) es un cristal medio cristalino utilizado comúnmente en láseres de estado sólido. Los átomos de neodimio Nd (III) están triplemente ionizados y actúan como dopantes. El ion dopante Nd (III) reemplaza aproximadamente el 1% de los iones de itrio en la estructura cristalina del granate de itrio y aluminio (YAG). Esto es posible porque los dos iones son comparables en términos de tamaño. Similar a los iones de cromo rojo en un láser de rubí, el ión de neodimio Nd (III) es responsable de proporcionar la acción láser en el láser Nd: YAG.

Para saber más sobre los láseres Nd: YAG, visite https://lambdageeks.com/ndyag-laser/

Láser Nd: YAG (granate de itrio aluminio dopado con neodimio). fuente de imagen: KkmurrayPowerlite NdYAGCC BY 3.0

¿Cómo funciona la expulsión de material fundido?

La expulsión de la masa fundida y el flujo de la capa de masa fundida se obtienen utilizando las ecuaciones hidrodinámicas después de encontrar la presión de vapor. Cuando se suministra la presión de vapor a la superficie libre de líquido, tiene lugar la expulsión de la masa fundida. Esto aleja el material fundido en dirección radial. Para obtener una expulsión de la masa fundida muy fina, es necesario calcular con precisión el patrón de flujo de la masa fundida, especialmente la velocidad del flujo de la masa fundida en el borde del agujero.

¿Cuáles son los factores que afectan el frente de vapor de fusión y la absorción de energía láser?

El coeficiente de absorción de energía láser depende principalmente de:

• Longitud de onda del láser utilizado.

• Tipo y composición del material de destino.

Cuando la intensidad del láser es alta y la duración del pulso es corta, las variables de estado (incluida la tasa de ablación) del material en el frente de vapor fundido experimentan cambios discontinuos a través de las capas de material.

Sobre Sanchari Chakraborty

Soy un estudiante entusiasta, actualmente invertido en el campo de la Óptica Aplicada y la Fotónica. También soy miembro activo de SPIE (Sociedad internacional de óptica y fotónica) y OSI (Sociedad óptica de India). Mis artículos tienen como objetivo sacar a la luz temas de investigación científica de calidad de una manera simple pero informativa. La ciencia ha ido evolucionando desde tiempos inmemoriales. Por lo tanto, intento aprovechar la evolución y presentarla a los lectores.

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