Una inmersión profunda en la velocidad y potencia del cortador láser - 💡 Fix My Ideas

Una inmersión profunda en la velocidad y potencia del cortador láser

Una inmersión profunda en la velocidad y potencia del cortador láser


Autor: Ethan Holmes, 2019

Uno de los aspectos más complicados a considerar cuando se corta con láser es el delicado equilibrio entre la velocidad de traslación y la potencia del láser. Queremos cortar lo más rápido posible, pero ¿hay momentos en que es mejor reducir la velocidad? La respuesta corta es: "definitivamente sí".

Vamos a compartir con nuestra comunidad de fabricantes los efectos que la velocidad y la potencia tienen sobre el ancho de corte, el ángulo de corte y la profundidad de grabado. Esta será la primera edición de una serie de artículos en curso, con la ayuda de Mako.

Entonces, ¿qué estamos haciendo exactamente?

Como cualquier "fabricante de láser" sabe, los dos parámetros más importantes al calibrar un láser son la velocidad de traslación y la potencia del láser. Otros parámetros como la resolución, la dirección de grabado y la frecuencia también tendrán un impacto en su trabajo, pero ninguno tanto como los dos grandes. Determinaremos en qué medida estos dos parámetros tienen un comportamiento predecible en la calidad de corte.Más precisamente, cuando cortamos una pieza de material notamos que el corte, o el grosor del corte, depende de la energía general que estamos enfocando en un punto en una superficie de trabajo.

Para una primera aproximación en 2D, hemos definido este nivel de energía como la potencia del láser x la superficie focal del láser dividida por la velocidad de conversión.

El rayo láser perforando un material de 3 mm de espesor, vemos un ángulo de Kerf exagerado de 1 grado y un ancho de corte de 0.25 mm.

Por el bien de nuestras pruebas:

Nuestro experimento fue simple: usando "AutoDesk Fusion 360" dibujamos una serie de cuadrados de 5 mm por 5 mm y cortamos 10 ejemplos de cada uno usando diferentes configuraciones de energía. Cada cuadrado individual se midió con un micrómetro para dos características diferentes:

1. Ancho promedio de Kerf: El ancho promedio de kerf (a.k.w.) es el ancho del rayo láser que corta la pieza fabricada. Esta medida es importante ya que debe ser considerada en el diseño para hacer uniones apretadas al ensamblar múltiples partes.

Experimentalmente determinamos el a.k.w. midiendo las superficies superior e inferior de nuestras muestras en la dirección X y la dirección Y. La fórmula utilizada para el ancho promedio de kerf es:

2. Ángulo de Kerf promedio: el ángulo del canal kerf (a.k.a.) es el ángulo del canal de quemado en forma de V en relación con el rayo láser. Experimentalmente, determinamos la a.k.a. midiendo la diferencia dimensional entre la superficie superior y las superficies inferiores para cada muestra. La fórmula utilizada para el ángulo kerf es:

Se realizó una segunda prueba en la que grabamos (rasterización) la superficie de los cuadrados de 5 mm x 5 mm mientras se variaban los niveles de energía y se probaron para ver cuánto material se eliminó. Esta prueba nos obligó a medir con precisión el espesor del material antes y después de cada prueba con un micrómetro de alta precisión.

Fuente: https://www.ophiropt.com/laser–measurement/knowledge-center/article/11347

Lo que mostramos es una clara relación entre el grosor del corte, el ángulo de corte y la profundidad del corte y la energía del láser. A medida que aumentamos la Energía, el rayo láser cónico quemará el material desde la cara de trabajo hacia la base en un volumen cilíndrico y, por lo tanto, creará paredes paralelas entre la ranura. Sin embargo, como la energía será mucho mayor, quemará más material y, por lo tanto, aumentará la tolerancia general dentro del canal de corte.

Resultados

Tolerancia de Kerf: la tolerancia de Kerf parece ser bastante predecible y está relacionada con el nivel de energía que enfocamos en la superficie de trabajo. ¡Esto es muy conveniente ya que nos permite ajustar nuestros recortes de corte en función del nivel de tolerancia que buscamos!

Dentro de ciertos límites podemos predecir la tolerancia de Kerf aplicando una ecuación lineal simple. Sin embargo, debemos tener cuidado porque, como podemos ver, cuanta más energía nos concentramos en el área de corte, menos precisa será nuestra corte. Cuando comenzamos a fundir fuertemente el material dentro de la región localizada del corte, la naturaleza líquida de la zona de corte se vuelve menos predecible.

Vemos que la tolerancia está directamente relacionada con la potencia y la velocidad. Igualmente, el tamaño, la distancia focal de la lente láser y la capacidad de los usuarios para colocar con precisión la altura Z sobre la superficie de trabajo juegan un papel importante en la precisión de esta medición. Esto se explicará con más detalle en la sección "desarrollos futuros" de este artículo.

Ángulo de Kerf:

Dentro de ciertos límites podemos predecir el ángulo de la Kerf aplicando una ecuación lineal simple. Sin embargo, debemos tener cuidado porque, como podemos ver, cuanta más energía nos concentramos en el área de corte, menos precisa será nuestra corte.

Las pruebas realizadas en el ángulo de kerf son mucho menos precisas, ya que el grupo de muestra es mucho más pequeño y no hay datos suficientes para verificar que existe una relación lineal entre la energía y el ángulo de kerf. Los siguientes cálculos expresan una solución lineal para el conjunto de datos que medimos.

El ángulo de Kerf es igualmente predecible y está relacionado con el nivel de energía que enfocamos en la superficie de trabajo. Esto es quizás generalmente menos útil cuando se mecanizan piezas, pero existen algunos casos muy específicos en los que es muy útil.

Ejemplo 1 (engranajes):

Fabricación de engranajes: al cortar con láser los engranajes rectos, es importante mantener una compensación precisa (para minimizar el retroceso y asegurar el contacto de los dientes). Para los engranajes rectos, también es importante considerar el perfil del diente. Dado que el láser no puede realmente cortar perpendicularmente a la superficie, todos los engranajes rectos de corte por láser son de hecho "engranajes cónicos". El perfil del diente en la superficie frontal no será el mismo que el perfil en la parte posterior. Este fenómeno puede ser totalmente despreciable para la mayoría de las aplicaciones prácticas, pero ciertamente es algo que se entiende mejor para que se puedan hacer consideraciones durante la fase de diseño.

Tappered Spur gear Sección transversal Fuente: https://khkgears.net/new/gear_knowledge/gear_technical_reference/gear_backlash.html

Ejemplo 2 (Microfluidos): “Los microfluidos se ocupan del comportamiento, el control preciso y la manipulación de fluidos que están limitados geométricamente a una escala pequeña, generalmente submilimétrica, en la que la penetración capilar gobierna el transporte de masas. Es un campo multidisciplinario en la intersección de ingeniería, física, química, bioquímica, nanotecnología y biotecnología, con aplicaciones prácticas en el diseño de sistemas en los que se procesan bajos volúmenes de fluidos para lograr multiplexación, automatización y selección de alto rendimiento. La microfluídica surgió a principios de la década de 1980 y se utiliza en el desarrollo de cabezales de impresión de inyección de tinta, chips de ADN, tecnología de laboratorio en un chip, micropropulsión y tecnologías micro-térmicas ". - Wikipedia

Debido a la escala relativa y la consistencia requeridas para fabricar un sistema microfluídico, es imperativo tener en cuenta la geometría capilar, ya que tendrá un impacto en el rendimiento del sistema.

Se debe tener en cuenta la sección transversal del capilar, cuyas dos dimensiones principales serán la profundidad y la inclinación (ver figura). Los cálculos propuestos para el ángulo de inclinación pueden permitir el desarrollo de sistemas microfluídicos más precisos.

Profundidad de corte La profundidad de corte es muy predecible y está relacionada con el nivel de energía que enfocamos en la superficie de trabajo. Esto es interesante ya que nos permite ajustar nuestra profundidad de grabado así como nuestros parámetros de corte para el espesor variable de PMMA.

Todas las pruebas se realizaron a niveles de energía relativamente bajos, ya que queríamos reducir el impacto del humo. Las pruebas a mayor potencia son menos precisas, ya que tenemos una alta concentración de humo que permanece dentro del canal, así como la refracción del láser contra las paredes no paralelas del kerf. Los resultados de estas pruebas aún nos ubican dentro del 10% de nuestros niveles de energía requeridos para cortar material de hasta 6 mm.

Esta información es útil cuando se realizan grabados en escala de grises para imágenes, relieves 3D y trabajos de litofia. Usando software como Photoshop, CorelDraw o cualquier software de procesamiento de imágenes, podemos transformar cualquier imagen en una imagen en blanco y negro. Desde donde podemos aplicar un flujo de trabajo de rasterización utilizando nuestro láser.

En general, ajustamos la imagen para crear una imagen en escala de grises de 16 ppp a 120 ppp. Aumentar la resolución o la profundidad del color requiere velocidades de grabado extremadamente lentas para extraer cualquier mejora en la calidad. Una vez que la imagen se carga en nuestro software de procesamiento láser (RdWorks V8 en Mako), calibramos nuestro láser para grabar las regiones negras (RGB: 255,255,255) en nuestra profundidad máxima y las regiones blancas (RGB: 0,0,0) en nuestra Profundidad mínima requerida (generalmente 0.1mm).

Esta técnica nos permite grabar con láser imágenes en plástico o tener profundidades de bolsillo precisas para piezas mecánicas. La profundidad y el alcance de esta técnica y todos los parámetros importantes están fuera del alcance de este artículo.

Futuros desarrollos: este modelo presenta varias deficiencias.

En futuros artículos nos gustaría determinar 2 criterios adicionales:

  1. La incertidumbre de la colocación del láser en el eje Z;
  2. Las velocidades de aceleración de X, Y para nuestro láser (y un método definido para medir esto) para que se puedan calcular transferencias de energía consistentes;
  3. Un modelo más desarrollado que considera la intensidad del láser y la absorción óptica, la refracción y la reflexión durante la quema del material;
  4. Disipación de calor en el material de trabajo y sus efectos en el ancho de corte.

Primero, nuestro primer tratamiento no considera la imprecisión de colocar el láser sobre la superficie de trabajo. Proporcionamos simplemente una aproximación en la que consideramos que el diámetro del láser es de 250 micrones y la intensidad del láser a lo largo del haz. Como podemos ver en las siguientes figuras, la intensidad y el diámetro focal son consecuencias directas de la capacidad del usuario para enfocar correctamente el haz. En futuros artículos nos gustaría usar simuladores ópticos de trazado de rayos para tener un mejor modelo que nos permita determinar el gradiente de la intensidad del haz en función de nuestra altura Z.

En segundo lugar, la velocidad de traslación de los láseres no es constante. A medida que disminuimos la longitud total de un segmento de línea, los efectos de la aceleración / desaceleración del carro láser se vuelven más evidentes. Esto significa que para una línea pequeña de 5 mm, puede ser imposible realizar pruebas con velocidades de traslación de más de unos pocos mm / s, ya que la máquina nunca tendrá el tiempo para alcanzar la velocidad designada. Hay compañías que han diseñado esta aceleración / desaceleración en su estimación de tiempo y será necesario determinar la "velocidad crítica" para determinadas longitudes de línea, sobre las cuales la transmisión de energía calculada puede considerarse falsa.

Por último, nos gustaría desarrollar un modelo más completo en el que podamos tener en cuenta la absorción de la luz de 1016 nm por los materiales dados, su capacidad para refractar la luz y su capacidad para transmitir esta energía en forma de calor. La prueba actual muestra que existe una cierta correlación con lo que denominamos crudamente "transmisión de energía" y sus efectos en el mecanizado. Sería mucho más elegante y útil tener una fórmula para aplicar, definida por características físicas reales, que nos daría los efectos en el mecanizado.

Conclusión:

Esperamos que este artículo le brinde a Fablabs y makerspaces una nueva perspectiva sobre la delicadeza que podemos lograr con la tecnología de grabado láser Co2. Igualmente, para nuevos laboratorios, este artículo puede ayudarlo a encontrar su primer conjunto de parámetros "aproximados" para obtener un corte por láser de manera eficiente y segura. Continuaremos probando en diferentes materiales y esperamos desarrollar una comunidad de creadores que deseen contribuir a este proyecto.

Necesitamos mejorar el modelo físico que hemos desarrollado para que podamos tener en cuenta las propiedades físicas de los materiales. A largo plazo, el objetivo sería correlacionar los efectos del corte por láser con las propiedades (refracción y absorción óptica, conductividad térmica, energía de vaporización, etc.) disponibles en las hojas de datos de nuevos materiales. Con estos medios, podemos predecir los parámetros de los materiales y determinar su factibilidad antes de tener que comprar o probar.

Nuestro objetivo final sería desarrollar una pequeña aplicación / widget donde un usuario podría ingresar la potencia nominal de su láser y la elección del material para que la aplicación produzca la configuración requerida. Esto permitiría a los nuevos fabricantes operar más rápidamente y los talleres serían más rentables.

Esta serie de experimentos fue interesante e iluminadora para nosotros en Mako. Esperamos que el lector lo haya encontrado igual de interesante y útil. Estamos abiertos a todas las discusiones con respecto a trabajar para construir una comunidad para refinar y perfeccionar nuestro proyecto. Le deseamos suerte con su láser y estamos atentos a nuestra próxima entrega: Effets mécaniques de la calibration laser sur MDF 3mm.



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