¿Cómo se mantienen reproducibles las ventanas de proceso en las piezas de serie?

Con ello no se trata de explicar de nuevo cada fundamento físico. El aporte de energía, el foco y las diferencias entre los sistemas pulsados y CW ya se exponen en los artículos ¿Cómo funciona la ablación láser en la limpieza de metal? y Láser pulsado o CW: ¿qué aporte de energía se ajusta a la pieza?.

Este artículo aborda el paso siguiente: ¿cómo se convierte un conjunto de parámetros que funciona en un proceso de serie documentado y controlable a lo largo del tiempo?

Del ensayo de material al proceso de serie

Un ensayo de material responde en primer lugar a una pregunta básica: ¿puede alcanzarse el estado superficial deseado con un sistema determinado? Para una serie, esa información todavía no basta: allí surgen requisitos adicionales. El proceso debe ser repetible, respetar un tiempo de ciclo definido, tolerar distintos lotes de piezas, ser fácil de manejar, hacer reconocibles las desviaciones y poder documentarse.

Justo en este punto cambia la perspectiva. Mientras que en el primer ensayo se busca a menudo la mejor superficie visible, la producción necesita un rango estable dentro del cual se obtengan resultados aceptables. Fraunhofer ILT menciona, además de los estudios de viabilidad, el desarrollo, la implantación y la integración de procesos de limpieza láser específicos de cada aplicación en los flujos industriales existentes. El paso del ensayo a la integración es, por tanto, una etapa de desarrollo propia.

Por qué no basta un único conjunto de parámetros

Supongamos que en un ensayo se obtuvo un buen resultado con una determinada potencia, anchura de barrido y velocidad. Resultaría tentador guardar simplemente esos valores como parámetros fijos de producción. En la práctica, sin embargo, pueden aparecer ligeras variaciones:

• El recubrimiento es algo más grueso
• La pieza se asienta de forma ligeramente distinta en el utillaje
• La superficie está más sucia
• El cristal protector presenta los primeros depósitos
• El lote de material tiene propiedades ligeramente distintas
• El entorno o la temperatura inicial difieren

Si un proceso funciona únicamente en un punto exacto y variaciones ya pequeñas conducen a un resultado defectuoso, resulta sensible para la serie. Por eso una ventana de proceso es más útil que un único valor ideal: se busca un rango dentro del cual la calidad se mantenga estable.

Ventana de proceso en lugar de valor ideal

Una ventana de proceso puede abarcar varios parámetros. De forma simplificada podría regir lo siguiente: potencia dentro de un rango definido, velocidad entre dos límites, distancia de trabajo dentro de una tolerancia, anchura de barrido fijada y un número máximo definido de pasadas.

El objetivo no es permitir las mayores variaciones posibles. El objetivo es saber qué variaciones tolera el proceso; eso aumenta su robustez. Si, por ejemplo, una pequeña desviación de la distancia de trabajo provoca de inmediato restos visibles, debería comprobarse si el parámetro de proceso puede ajustarse o si el posicionamiento de la pieza debe ser más preciso.

De este modo, la ventana de proceso conecta la tecnología láser con la técnica de instalaciones y utillajes. Un proceso de serie robusto surge de la combinación de ambos ámbitos.

Qué parámetros deberían documentarse

Una documentación debería estar estructurada de modo que un trabajador cualificado pueda comprender más adelante en qué condiciones se originó el proceso aprobado.

Instalación

Sistema utilizado, versión del software y configuración óptica relevante.

Pieza

Número de pieza, material, recubrimiento, espesor de capa conocido, así como proveedor o lote, si resulta relevante.

Proceso

Potencia, frecuencia en los sistemas pulsados, anchura de barrido, patrón de barrido, velocidad de movimiento, número de pasadas y distancia de trabajo.

Resultado

Imágenes de referencia, características de calidad definidas, capa residual admisible, estado de la superficie y duración del tratamiento.

Con series pequeñas, una documentación así puede parecer exagerada. En cuanto el mismo proceso se emplea durante meses o con varios trabajadores, gana un valor considerable: evita que el conocimiento del proceso quede almacenado exclusivamente en la cabeza de un único operario.

Las tolerancias de la pieza como factor de influencia

Tampoco las piezas de serie son completamente idénticas. Las tolerancias de fabricación pueden modificar ligeramente la posición y la superficie. En una superficie plana sencilla eso puede resultar irrelevante; en contornos tridimensionales, pequeñas desviaciones pueden alterar la distancia de trabajo o el ángulo de incidencia.

Por eso debería aclararse ya durante el desarrollo del proceso cuál es la magnitud real de las tolerancias de la pieza y si la ventana de proceso definida puede cubrir esas tolerancias. Si no es así, existen distintas posibilidades: el utillaje puede posicionar la pieza con mayor precisión, un sensor puede detectar su posición, el robot puede adaptar su trayectoria, o el proceso de tratamiento puede ajustarse de forma tan robusta que las variaciones admisibles no tengan una influencia relevante.

Qué solución resulta rentable depende del número de unidades y de las exigencias de calidad.

La suciedad no siempre es idéntica

También la capa que debe eliminarse puede variar. En un proceso de producción pueden aparecer cantidades distintas de aceite, óxido, agente desmoldeante o residuos de proceso. En piezas recubiertas, el espesor de la pintura puede variar dentro de las tolerancias de fabricación admisibles. Esto significa que incluso piezas metálicas perfectamente idénticas pueden presentar estados iniciales distintos.

Por eso el proceso de serie debe tener en cuenta no solo las tolerancias de la pieza, sino también variaciones realistas de la contaminación. Un desarrollo de proceso sensato no ensaya únicamente la muestra más bonita, sino también piezas en el límite de los estados iniciales previstos. Solo así puede reconocerse si el conjunto de parámetros es suficientemente robusto en condiciones reales de producción.

No perder de vista la óptica y el cristal protector

El estado del sistema óptico puede cambiar durante el funcionamiento. El cristal protector protege los componentes sensibles frente a los residuos del proceso; a medida que aumenta la suciedad, el estado del camino óptico puede modificarse. Por eso los controles de los componentes relevantes forman parte de un funcionamiento estandarizado.

La pregunta no es únicamente cuándo un cristal protector queda completamente inservible, sino a partir de qué estado puede verse afectada la calidad del proceso. Las indicaciones del fabricante y las especificaciones de mantenimiento son determinantes al respecto.

Para las aplicaciones en serie puede resultar conveniente definir intervalos de inspección fijos y no controlar los componentes ópticos solo cuando aparece un fallo visible. Un deterioro progresivo es más difícil de detectar que una avería repentina.

Posicionamiento y utillaje

Un tratamiento estable requiere una posición relativa estable entre la pieza y el cabezal de tratamiento; solo así se mantienen válidas las ventanas de proceso definidas. En las tareas manuales, esa función la asume el operario; en una serie se emplea con frecuencia un utillaje. Un buen utillaje debe posicionar la pieza de forma inequívoca, alojarla de manera repetible, asegurarla contra el movimiento y permitir una carga y descarga rápidas.

Cuanto más exactamente se reproduzca la posición, menor será una posible fuente de error. Esto resulta especialmente importante en zonas de tratamiento localizadas: si solo debe tratarse una franja estrecha antes de un proceso de unión, la pieza no puede quedar colocada varios milímetros distinta en cada ciclo; de lo contrario, los resultados dejan de ser reproducibles. Por eso la calidad del proceso no depende únicamente del sistema láser — el utillaje, la manipulación y el referenciado de la pieza forman parte del sistema completo.

Muestras de referencia y muestras límite

Una herramienta especialmente práctica para el control de calidad son las muestras de referencia. Una muestra aprobada indica cómo debe ser un resultado aceptable. Además pueden definirse muestras límite:

• Referencia buena: estado objetivo plenamente aceptable
• Límite aceptable: capa residual o alteración máxima admisible
• No aceptable: resultado fuera de la especificación

Así los empleados disponen de una orientación concreta, sobre todo en las características de calidad visuales. En procesos técnicamente más exigentes pueden emplearse además criterios medibles.

No obstante, una referencia no debería utilizarse indefinidamente sin comprobación. También las muestras pueden envejecer, ensuciarse o almacenarse de forma incorrecta. Por eso su estado debería documentarse igualmente.

Reducir la influencia del operario

En los procesos guiados a mano, la persona forma parte de la cadena del proceso. Eso no es una desventaja en sí misma — un operario experimentado puede reaccionar con flexibilidad ante piezas distintas. Sin embargo, en los trabajos recurrentes la influencia individual debería limitarse. Pueden resultar útiles:

• instrucciones de trabajo claras
• secuencia definida de las zonas de tratamiento
• juegos de parámetros guardados
• número fijado de pasadas
• distancia de trabajo definida
• formación del personal a partir de muestras de referencia

El objetivo no es hacer superflua la experiencia, sino que dos personas formadas obtengan resultados lo más comparables posible. Cuanto mayor sea el número de piezas y más estricto el requisito de calidad, más importante resulta esta estandarización. El papel que desempeña la guía de la trayectoria lo trata el artículo sobre patrones de escaneo en bordes y contornos.

Automatización y gestión de recetas

En los sistemas automatizados, los parámetros y los movimientos pueden guardarse digitalmente. Para distintos tipos de pieza pueden utilizarse las llamadas recetas o conjuntos de datos de proceso definidos. Un conjunto de datos puede contener la potencia, la frecuencia, la estrategia de escaneo, la trayectoria del robot, la velocidad y el número de repeticiones.

Con ello disminuye el riesgo de que los parámetros se introduzcan manualmente de forma incorrecta al cambiar de producto. Al mismo tiempo debe controlarse qué receta está realmente aprobada, y los cambios deberían documentarse de forma trazable.

Fraunhofer IWS menciona la tecnología de escáner, los sensores, la monitorización y el software de control como componentes de las soluciones de sistema para procesos de tratamiento láser precisos. Esta combinación de conocimiento del proceso y técnica de sistemas resulta especialmente relevante en cuanto una aplicación individual se convierte en una producción automatizada.

Utilizar la monitorización del proceso con criterio

No todos los procesos necesitan un sistema de sensores complejo. Pero, a medida que aumenta el número de piezas, crece el valor de una supervisión automática. La monitorización del proceso puede perseguir distintos objetivos:

• controlar la posición
• supervisar el estado de la instalación
• registrar las señales del proceso
• detectar desviaciones
• documentar los datos de calidad

Qué sensores resultan adecuados depende de la aplicación y de la importancia económica de un fallo. En una pieza individual barata puede bastar un control visual posterior; en una pieza de serie crítica con un elevado coste derivado, una detección temprana del fallo puede resultar económicamente valiosa. Fraunhofer IWS trabaja con monitorización de proceso y sistemas de regulación en distintas aplicaciones láser. Por eso la decisión a favor de la monitorización debería tomarse en función del riesgo y no como un fin en sí mismo.

Aprobar los cambios de forma controlada

Puede ocurrir que un proceso estable tenga que modificarse con el tiempo. Posibles motivos son un nuevo material de recubrimiento, un nuevo proveedor, una geometría de pieza distinta, una actualización de software, una óptica diferente, cantidades mayores o un nuevo requisito de calidad.

Un error frecuente consiste en realizar ese cambio directamente en el proceso en marcha y dar por supuesto después que la aprobación anterior sigue siendo válida. Es mejor un procedimiento de cambio controlado en el que se documente qué se ha modificado, por qué, qué efectos son posibles, qué ensayos se han realizado y quién ha aprobado el nuevo ajuste.

Esta forma de proceder no es una particularidad de la tecnología láser — sigue los principios básicos de los procesos industriales estables. Cuanto más crítica sea la pieza, más importante resulta la trazabilidad.

La seguridad como parte de la estandarización

También las medidas de protección deben formar parte del proceso estandarizado. En las aplicaciones de clase 4 guiadas a mano no basta con documentar únicamente los parámetros de tratamiento. Según el uso, forman parte de ello:

• zona láser definida y apantallamientos
• restricciones de acceso
• equipo de protección individual adecuado
• aspiración de proceso
• formación del personal y comportamiento en caso de averías

La guía práctica de la DGUV FBHM-139 «Strahlarbeiten – Reinigen und Entschichten mit Laserstrahlung» (trabajos de chorreado: limpieza y decapado con radiación láser), edición 06/2024, trata los peligros y las medidas de protección de los sistemas láser de clase 4 guiados a mano. Un proceso de serie solo está completamente estandarizado cuando no solo el resultado del tratamiento, sino también su ejecución segura, están organizados de forma reproducible. La página indicaciones de seguridad sobre la clase de láser 4 ofrece una visión general.

Conclusión: la reproducibilidad nace del control

Para que la ventana de proceso siga siendo reproducible en piezas de serie no basta con guardar un juego de parámetros encontrado una vez y no volver a cuestionarlo nunca más. Un procedimiento sólido tiene en cuenta las variaciones: tolerancias de las piezas, diferencias de suciedad o de recubrimiento, el estado de la óptica y de los componentes de protección, el posicionamiento de la pieza, la influencia del operario, así como los cambios en la instalación y en el software.

Por eso la ventana de proceso describe el rango en el que puede lograrse un resultado fiable. Una buena documentación hace ese rango trazable, las muestras de referencia ayudan en la valoración de la calidad, los utillajes y la automatización reducen las desviaciones de posición, y la monitorización puede aportar seguridad de proceso adicional en las aplicaciones adecuadas.

Por último, una gestión de cambios controlada evita que un proceso aprobado se modifique de forma inadvertida. Así, un ensayo exitoso se convierte en un procedimiento aprovechable industrialmente — y precisamente esa transición es decisiva cuando el tratamiento láser no va a emplearse solo de forma ocasional, sino como paso de producción recurrente. Por eso, quien quiera asegurar su ventana de proceso en serie planifica estos puntos de control desde el principio.

Fuentes

• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT — «Reinigen» (limpieza): estudios de viabilidad, desarrollo de procesos específicos para cada aplicación e integración en procesos industriales.
• Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS — técnica de sistemas: escáneres, sensores, monitorización y control para procesos de alta velocidad y de precisión; ejemplos de integración de pasos de limpieza por láser en procesos de fabricación.
• DGUV — FBHM-139 «Strahlarbeiten – Reinigen und Entschichten mit Laserstrahlung» (trabajos con haz láser: limpieza y decapado con radiación láser), edición 06/2024.

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