Las herramientas de materiales duros y cerámicas como el carburo de tungsteno son especialmente resistentes al desgaste. Sin embargo, las herramientas utilizadas para su fabricación se desgastan mucho más rápido, a menos que la herramienta sea de luz. Investigadores de Fraunhofer ILT han desarrollado una cadena de procesos en la que la conformación y el pulido de componentes de materiales duros se pueden realizar sin cambiar el montaje utilizando un láser de pulso ultracorto (UKP).
Brocas, cabezales de fresado, rodillos o insertos de troquel de materiales cerámicos duros no solo tienen mordida, sino que también duran significativamente más. Pero, aunque su resistencia al desgaste tiene un efecto positivo en los tiempos de vida en la producción, es problemático en la fabricación de estas herramientas. Las herramientas utilizadas para su conformación y tratamiento de superficies desgastan los dientes en los metales duros de carburo mixto, cermets y cerámicas utilizados aquí. Por lo tanto, el desgaste es alto cuando los fabricantes recurren a procesos de mecanizado mecánico.
El láser UKP actúa donde los procesos mecánicos encuentran sus límites
Esto es diferente con pulsos láser ultracortos. Los láseres UKP comerciales con una potencia de 20 a 40 vatios son capaces de eliminar eficientemente los materiales duros utilizados en la construcción de herramientas. Donde sus pulsos de alta energía de pocas picosegundos impactan en las superficies, el material se evapora. Como esto ocurre con frecuencias en el rango de MHz, la eliminación de material por láser alcanza tasas de superficie de hasta 100 cm² por minuto. Sin embargo, con esta evaporación formativa de los materiales, el potencial del procesamiento UKP no se ha agotado.
Investigadores del Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT en Aachen han desarrollado una cadena de procesos en la que el mismo láser UKP realiza tanto la eliminación de material formativa como el posterior pulido de las superficies de las herramientas. 'El láser UKP es una herramienta universal con la que podemos realizar diferentes pasos de procesamiento, en parte en el mismo montaje', dice Sönke Vogel, líder del equipo de eliminación de estructuras 3D en Fraunhofer ILT, quien ha impulsado el procedimiento junto con Astrid Saßmannshausen, líder del equipo de estructuración de materiales transparentes.
La clave para la conexión de los pasos del proceso radica en la parametrización del láser: mientras que la eliminación de material se realiza con alta energía de pulso y baja tasa de repetición, en el pulido es al revés. El láser UKP introduce energía en la superficie de la pieza de trabajo con una frecuencia de pulso de hasta 50 MHz, que se acumula allí y funde los 0,2 - 2 micrómetros superiores. El material no se evapora, sino que forma una película de fusión que se alisa por sí misma debido a la tensión superficial y se solidifica al enfriarse. También se pueden controlar las propiedades de la superficie a través de la conducción del proceso. 'Con el pulido láser UKP, por ejemplo, es posible suavizar micro-desigualdades manteniendo estructuras macroscópicas', explica Saßmannshausen. Además, el procedimiento láser permite pulir superficies 3D complejas con precisión micrométrica. También es posible un pulido selectivo de áreas seleccionadas para ajustar intencionadamente las propiedades de la superficie localmente o pulir solo las áreas necesarias, lo que ahorra tiempo. El pulido UKP complementa el pulido macro y micropolido láser con un enfoque aún más preciso y aplicable localmente para el pulido de superficies.
Procedimiento eficiente para el mecanizado industrial de materiales duros
Dependiendo de los requisitos del proceso, el pulido láser alcanza tasas de superficie de diez a 100 cm² por minuto, manteniendo casi el ritmo con las tasas de superficie del material eliminado anteriormente. 'La combinación de ambos procesos con un láser en el mismo montaje permite a las empresas ampliar su oferta con láseres UKP ya existentes o acelerar significativamente la amortización tras una nueva adquisición', explica Saßmannshausen.
Pero sobre todo, está diseñada para reemplazar los procesos mecánicos en el mecanizado de materiales duros y así poner fin al desgaste de herramientas a veces inmenso en su fabricación. Esto no solo contribuye a la reducción de costos, sino también a una mayor eficiencia en recursos y energía. Según Saßmannshausen y Vogel, el potencial de la combinación de procesos aún no se ha agotado. Con escáneres poligonales más rápidos, mayores potencias láser y puntos láser ampliados, es posible aumentar significativamente las tasas de superficie. Se invita a los socios industriales interesados a abordar los pasos de optimización junto con el equipo de investigación de Fraunhofer ILT.
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