¿Qué es el mecanizado láser de láminas acrílicas?

Cuando se trata de cortar láminas acrílicas, los láseres de CO2 generalmente se consideran una solución potente y rentable-, siempre que se utilicen para las aplicaciones adecuadas. Para tareas que involucran piezas pequeñas y complejas que requieren esquinas interiores limpias y afiladas, o para piezas de prácticamente cualquier tamaño que exigen tolerancias de corte superiores a 0,005 pulgadas por pie, el láser suele ser la mejor herramienta para el trabajo. Una de las principales razones de esto es que el corte por láser produce un corte muy estrecho, generalmente entre 0,010 y 0,020 pulgadas. Además, ofrece una tremenda flexibilidad en cuanto a forma y tamaño, y quizás lo más importante es que deja un borde pulido y libre de polvo. Debido a estos factores, es la mejor opción para muchas aplicaciones de alta-calidad.

Equipment Overview

Básicamente, los láseres de CO2 funcionan emitiendo un haz de luz paralelo. Esta luz tiene una longitud de onda específica de 10,6 micras. Vale la pena señalar que esta longitud de onda particular es absorbida muy bien por materiales no metálicos. Cuando este rayo de luz, o energía, se enfoca a través de una lente hasta un punto muy pequeño, esencialmente vaporiza el material que se encuentra en su camino.

En términos de configuración de la máquina, el rayo láser enfocado se puede mantener estacionario sobre una mesa de posicionamiento X-Y. Alternativamente, se puede colocar sobre una superficie estacionaria usando lo que se conoce en la industria como configuración de "cabezal volador". Para explicar la configuración del cabezal volante de forma sencilla: el propio rayo láser se mueve sobre la pieza de trabajo a lo largo de uno o dos ejes a través de un sistema de espejos y engranajes de posicionamiento mecánico. Los controladores, PC y software utilizados para gestionar el posicionamiento tanto del láser como del trabajo son en realidad muy similares al hardware y software que se encuentran en otros equipos de mecanizado CNC. En consecuencia, diseñar y operar una cortadora láser no es más difícil que trabajar con cualquier otra máquina CNC estándar.

Cuando se prepara para cortar acrílico con láser, hay tres variables principales con las que debe preocuparse. Cada uno de estos afectará tanto la calidad del corte como los niveles de tensión resultantes en el material. Estas variables son:

El poder del láser.
La tasa de alimentación.
La frecuencia del pulso.

Todas estas configuraciones se pueden ajustar para adaptarse a diferentes tipos de materiales, diferentes espesores y el acabado deseado del borde. Para cortar láminas acrílicas, se puede utilizar una unidad láser de tan solo 40 vatios para espesores de hasta aproximadamente ¼ de pulgada. Sin embargo, si desea lograr una buena calidad de borde con un láser más pequeño como este, básicamente debe reducir la velocidad de avance a aproximadamente 20 pulgadas por minuto.

Por otro lado, para hojas más gruesas o si necesita velocidades de alimentación más rápidas, se requiere un sistema láser más grande. Un láser de 180 vatios, por ejemplo, generalmente proporcionará un corte rápido y económico para la mayoría de los espesores de lámina acrílica mientras funciona con solo aproximadamente el 75% de potencia. Las máquinas con potencia aún mayor, en el rango de 500 a 1000 vatios, permiten velocidades de avance mucho más altas y también permiten el uso de múltiples cabezales de corte simultáneamente.

Procedures: Setting Up To Cut Acrylic Sheet

Generalmente se observa que aumentar la potencia del láser a una velocidad de alimentación específica dará como resultado un acabado más brillante. Sin embargo, la desventaja es que esto también aumenta el nivel de tensión dentro del borde de la hoja. Por el contrario, el uso de una velocidad de avance más rápida combinada con una frecuencia de pulso más rápida normalmente producirá un borde con menor tensión, aunque la superficie será menos brillante.

En cuanto a la frecuencia del pulso (que se mide en pulsos por segundo o pps), es simplemente la velocidad a la que "dispara" el láser. Es importante comprender que el rayo láser es en realidad una serie de pequeñas ráfagas o pulsos, en lugar de un flujo continuo. Puedes controlar la frecuencia del pulso de dos formas principales: proporcionalmente al tiempo o proporcionalmente a la distancia recorrida.

Si bien el método de hacer que la frecuencia del pulso sea proporcional al tiempo es más común y más fácil de programar al principio, este método a menudo provoca quemaduras en las esquinas interiores. La razón de esto es que el controlador X-Y naturalmente tarda más en recorrer una esquina que en recorrer una línea recta. Como resultado, las esquinas-especialmente las interiores-tienden a absorber demasiada energía, lo que hace que se derritan y se estresen demasiado-. Este es un punto crítico a considerar al cortar materiales sensibles a las muescas-como el acrílico y el policarbonato. Las esquinas interiores suelen ser áreas débiles que soportan cargas elevadas. Por lo tanto, se debe hacer todo lo posible para minimizar tensiones o muescas en estas zonas.

Hacer que la frecuencia del pulso sea proporcional a la distancia recorrida elimina gran parte de este problema. A medida que el controlador reduce automáticamente la velocidad de avance en las esquinas, la frecuencia del pulso también se ralentiza. Esto asegura que la cantidad de energía emitida en cualquier punto dado a lo largo del corte permanezca constante.

No importa cuán sofisticado sea su controlador o cuán rápida sea su velocidad de alimentación; La tensión en los bordes es algo que siempre deberá tenerse en cuenta en determinadas aplicaciones. Siempre que se calienta una lámina de acrílico o policarbonato, existe la posibilidad de que se produzca estrés por calor. Este problema es más importante cuando sólo se calienta una parte de la hoja, que es exactamente lo que sucede durante el corte por láser.

La interfaz entre el cuerpo no-calentado de la lámina y el borde que se calienta y enfría rápidamente es muy susceptible a agrietarse. Estas áreas altamente estresadas pueden extenderse aproximadamente entre 0,010 y 0,050 pulgadas dentro de la lámina, dependiendo del espesor. Estas áreas son muy propensas a agrietarse si entran en contacto con solventes incompatibles o se someten a una tensión mecánica elevada, como la flexión.

Puede minimizar este problema de tensión en los bordes ajustando la velocidad de alimentación, la frecuencia del pulso y la potencia. El uso de menor potencia y una frecuencia de pulso más lenta, combinados con una velocidad de alimentación relativamente rápida, reduce la cantidad total de energía o calor absorbida por la hoja. Esto, a su vez, reduce tanto la magnitud de la tensión como la distancia que la tensión se propaga dentro de la lámina. Sin embargo, hay que aceptar que estas condiciones darán como resultado un acabado de borde menos brillante. En algunos casos específicos, podría resultar práctico raspar o mecanizar por completo las zonas sometidas a tensión.

La mayoría de los sistemas láser-de alta potencia vienen equipados con una mesa de sujeción por vacío-y un flujo de asistencia de gas. Varios factores aquí pueden influir en la calidad final del corte: el tipo de gas utilizado, el caudal de ese gas y la eficiencia de la mesa de vacío para expulsar los vapores. Tener un buen flujo de gas a través del corte, combinado con un vacío efectivo, ayuda a eliminar los vapores que de otro modo podrían dañar la pieza de trabajo, provocar pequeñas llamaradas-y carbonización, o dejar residuos no deseados.

Laser Cuttable Masking

El rendimiento del enmascarado es otra consideración importante al seleccionar una lámina acrílica para su aplicación específica. Si el enmascarado no se adhiere correctamente, las piezas pueden dañarse o rayarse durante el proceso de fabricación y la eficiencia del proceso en sí puede verse afectada negativamente. Por el contrario, si el enmascaramiento es demasiado difícil de quitar, genera mano de obra adicional y costos más elevados. Elegir la máscara adecuada para el proceso de fabricación es clave para minimizar estos problemas.

Tradicionalmente, el enmascaramiento de papel ha sido la opción estándar para el corte por láser. El beneficio aquí es que no se fusionará con el acrílico en los bordes del corte. Su adhesión fuerte y consistente evita que la máscara se levante durante la manipulación y el corte, lo que protege la superficie acrílica de los gases calientes y corrosivos generados por el láser. Sin embargo, el enmascaramiento de polietileno-cortable con láser ahora también está disponible en láminas acrílicas.

Para escenarios que requieren máxima eficiencia y rendimiento, se puede utilizar una máscara de polietileno adhesiva ligera-especialmente formulada. Este tipo de enmascaramiento es muy fácil de quitar de una pieza terminada y aún así ofrece suficiente adherencia para soportar la manipulación normal. Aunque rara vez es un problema importante, este tipo de enmascaramiento puede levantarse en áreas donde el láser permanece inactivo durante demasiado tiempo, debido a su fórmula adhesiva más liviana. Esto suele ocurrir al inicio de un corte o durante cortes con radios muy ajustados. Puede evitar fácilmente este levantamiento utilizando una "entrada-" al inicio del corte y reduciendo la frecuencia del pulso o la potencia al navegar por curvas cerradas.

Si necesita un borde impecable y pulido, hay disponible una máscara de polietileno no adhesiva especialmente formulada. Dado que todas las mascarillas a base de adhesivo-dejan al menos algunos residuos en el borde cortado, pueden disminuir ligeramente el aspecto pulido. Por lo tanto, para aplicaciones que exigen una apariencia de la más alta calidad, se recomienda un enmascaramiento no adhesivo "cortable con láser". Si bien este enmascaramiento puede ser un poco más difícil de quitar que el tipo adhesivo, proporciona un borde de calidad ligeramente superior y es más resistente al levantamiento del borde. Si se produce un levantamiento, puede tomar medidas similares a las descritas anteriormente.

Otro punto a considerar respecto al enmascaramiento son las arrugas. Para mantener la óptica original de la lámina, el enmascaramiento-especialmente en la superficie superior-debe estar libre de arrugas. Si la máscara no está en contacto directo con la lámina en el punto de corte, los gases calientes pueden quedar atrapados entre la máscara y la lámina, lo que grabará la superficie. El grabado suele ser un problema menor en la parte inferior de la hoja porque la mayoría de las mesas X-Y utilizan un sistema de sujeción por vacío-, que elimina eficazmente los gases calientes antes de que puedan causar daños.

Al igual que cualquier pieza de maquinaria sofisticada, las cortadoras láser requieren un mantenimiento regular para garantizar un rendimiento óptimo. Es una buena práctica mantener un registro de los ajustes de potencia necesarios para cortar un espesor específico de material a una velocidad específica. Con el tiempo, es probable que descubra que es necesario aumentar la configuración de potencia o reducir la velocidad de corte. Esto suele deberse a que la óptica del láser se ensucia o se desenfoca. Si esto sucede, la calidad del corte se degradará. El mantenimiento regular realizado por un técnico calificado es esencial para mantener la eficiencia y la calidad del corte.

Si bien los láseres son sin duda herramientas sofisticadas y de alta-potencia, no son necesariamente más peligrosos que cualquier otro equipo comercial, siempre que se instalen y utilicen correctamente. Normalmente, unas gafas de seguridad estándar son suficientes para proteger los ojos. Sin embargo, es fundamental tener en cuenta que no todas las gafas de seguridad estándar son opacas a la longitud de onda de luz de 10,6 micrones (lo que significa una densidad óptica de 5 a 10.600 nanómetros), que es común para estos láseres.

Según la norma ANSI Z136.1, las gafas de seguridad deben estar claramente etiquetadas con la longitud de onda y el factor de protección de densidad óptica.

Además, es absolutamente necesario un sistema de escape para eliminar los vapores potencialmente dañinos que se producen durante el corte. Dependiendo del material específico que se esté procesando, puede que incluso sea necesario filtrar estos vapores antes de expulsarlos al ambiente exterior. Como es el caso con cualquier equipo, es obligatorio tener el conocimiento adecuado de los procedimientos operativos y de seguridad antes de utilizar un sistema de corte por láser.

Emissions

Ha habido una serie de investigaciones científicas realizadas por varios investigadores que intentan determinar la cantidad exacta y el tipo de emisiones que resultan del corte por láser de acrílico. A pesar de todo este esfuerzo, sigue siendo imposible predecir con total certeza los subproductos-exactos y sus concentraciones en los gases de emisión.

Estas emisiones dependen de una variedad de factores, incluidos los parámetros del láser, los parámetros de procesamiento, los gases de cobertura utilizados, el método de escape y la composición química exacta del polímero acrílico. Además, la mayoría de estos estudios no tienen en cuenta los efectos del papel protector o del enmascaramiento de polietileno, ni consideran el posible impacto de ningún recubrimiento.

Cuando el acrílico se corta con láser, la mayor parte del material descompuesto se convierte nuevamente en sus monómeros constituyentes. En la mayoría de las láminas acrílicas, estos monómeros constan de más del 90% de metacrilato de metilo y el resto es metacrilato. También es común que muchos proveedores empleen acrilato de etilo en sus formulaciones acrílicas.

(Cabe señalar que el Programa Nacional de Toxicidad incluye el acrilato de etilo en su lista de sustancias que se pueden anticipar como carcinógenas. De manera similar, la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer enumera el acrilato de etilo como un carcinógeno probable).

Durante una investigación científica independiente realizada por Heferkamp, Goede, Engel y Wittbecker, descubrieron que entre los plásticos que probaron, el acrílico en realidad resultó en la menor generación de aerosoles (<10 mg/m3). Their work also indicated that over 90% of the emissions generated from laser cutting acrylic were gaseous methylmethacrylate monomer.

Otros investigadores, específicamente Troughton, Sims, Ellwood y Taylor, descubrieron que además del monómero de metilmetacrilato, había pequeñas cantidades de tolueno, pentenoato de metil-2-metil-3, xileno, trimetilbenceno y alcanos. Curiosamente, no encontraron HAP (hidrocarburos aromáticos policíclicos), lo que contradecía los hallazgos anteriores de Ball, Kulik y Tan.

Se recomienda instalar equipos de ventilación adecuados para garantizar que la exposición de los empleados permanezca por debajo de los niveles regulados. Además, se deben tener en cuenta las normas medioambientales si se expulsan gases al exterior. Los fabricantes de equipos de corte por láser generalmente pueden brindar orientación sobre cómo recolectar y manejar adecuadamente las emisiones láser.