¿Cómo influyen los patrones de escaneo en el resultado en bordes y contornos?

Las relaciones básicas entre la posición del foco, el ancho de escaneo y el aporte de energía ya se explican en el artículo ¿Cómo funciona la ablación láser en la limpieza de metal?. Este artículo parte de ahí y se ocupa específicamente de la trayectoria sobre geometrías complejas.

Para los usuarios industriales esto es relevante porque un proceso no solo debe funcionar en una superficie de ensayo. Debe ofrecer resultados lo más uniformes posible en la pieza real.

Por qué la geometría cambia el proceso

En una superficie plana grande, las condiciones geométricas son comparativamente constantes. La distancia entre el cabezal de tratamiento y la superficie puede mantenerse igual, el láser incide con un ángulo similar y el movimiento se puede organizar en trayectorias paralelas. En una pieza industrial real esto suele ser distinto — un componente de máquina puede tener bordes exteriores e interiores, radios, taladros, ranuras, nervios, planos diferentes y zonas curvadas.

En cuanto la superficie cambia respecto al cabezal de tratamiento, cambian también la distancia de trabajo y el ángulo de incidencia. Con ello puede cambiar la distribución efectiva de la energía sobre la superficie. Esto no significa que las piezas complejas sean inadecuadas por principio — significa únicamente que la trayectoria de tratamiento pasa a formar parte del desarrollo del proceso. Fraunhofer ILT menciona expresamente tanto la limpieza por láser de grandes superficies como la de alta resolución local, así como la integración de los procedimientos correspondientes en procesos industriales.

Qué controla en la práctica un patrón de escaneo

El término patrón de escaneo designa la trayectoria por la que se mueve el haz láser dentro del campo de tratamiento. En la práctica, según el sistema, se pueden emplear líneas, patrones de superficie u otras formas de movimiento. Lo decisivo no es tanto la forma óptica del patrón como la cuestión de con qué uniformidad se alcanza con él la superficie deseada. Un patrón de escaneo influye, entre otras cosas, en:

• el tiempo de permanencia local
• el solapamiento de trayectorias contiguas
• el número de pasadas
• la distribución de la energía
• la velocidad del tratamiento de la superficie

En una superficie libre, un patrón se puede ajustar con relativa facilidad para que las distintas trayectorias se solapen de forma uniforme. En un borde, ese mismo desarrollo puede hacer que una parte del patrón quede ya fuera de la pieza; en un contorno interior, las zonas de movimiento se pueden superponer en mayor medida. Así pues, la geometría también determina cómo llega realmente al material el patrón elegido.

Trayectorias rectas y zonas solapadas

Un principio habitual para el tratamiento de superficies son las trayectorias contiguas. Para que no queden franjas sin tratar, normalmente se disponen de modo que se produzca un solapamiento definido. Un solapamiento demasiado escaso puede generar zonas intermedias visibles; un solapamiento innecesariamente alto hace que determinadas zonas se traten varias veces.

Con ello surge un conflicto de objetivos clásico: se debe alcanzar toda la superficie de forma fiable sin someter zonas concretas a más pasadas de las necesarias. En una pieza homogénea y plana, esta distancia se puede ajustar de forma reproducible. En una superficie curvada, el ancho realmente proyectado sobre el material puede variar.

Por eso, la planificación de la trayectoria no debería considerarse únicamente a partir del movimiento en el escáner. Lo relevante es el patrón sobre la superficie tridimensional real.

Qué ocurre en los bordes

Un borde exterior representa un cambio abrupto de la dirección de la superficie. Si un patrón de escaneo se lleva simplemente por encima, cambia la geometría entre el haz y la pieza: una parte de la trayectoria incide todavía en la primera superficie, mientras que la siguiente cae ya en la superficie contigua o abandona la pieza. Por ello, la zona situada justo en el borde puede tratarse de forma distinta a una superficie libre.

A esto se suma un reto práctico: los bordes suelen ser especialmente relevantes desde el punto de vista funcional u óptico. En un componente de máquina pueden delimitar superficies de ajuste; en una pieza metálica restaurada deben conservarse lo más nítidos posible. Por eso, un proceso razonable puede prever que los bordes no se traten simplemente con el mismo movimiento que una superficie grande. Según el equipo y la pieza, son posibles:

• una trayectoria adaptada
• una velocidad reducida
• una dirección de tratamiento propia
• la modificación del ángulo de trabajo
• el tratamiento por separado de la segunda superficie

La estrategia adecuada debe ensayarse en la pieza concreta.

Por qué los radios son más exigentes

Un radio no presenta un cambio de dirección abrupto, sino una curvatura continua. En un primer momento suena más sencillo, pero técnicamente significa que el ángulo entre el haz y la superficie cambia de forma continua. En un radio pequeño, además, la distancia puede variar de forma apreciable dentro de una misma zona de escaneo: si el cabezal de tratamiento permanece inmóvil, es posible que una parte del campo escaneado esté más cerca del rango de trabajo óptimo que otra parte.

En radios pequeños y locales esto puede no ser problemático. En piezas exigentes puede resultar necesario un seguimiento del cabezal de tratamiento. Por eso, especialmente en procesos automatizados, resulta adecuada una combinación de movimiento del escáner y movimiento de un eje o de un robot: el escáner asume el movimiento local rápido, mientras que el sistema de manipulación ajusta la posición y la orientación aproximadas respecto a la pieza. Para los sistemas basados en láser, Fraunhofer IWS describe la combinación de tecnología de escáner, planificación de trayectorias y control del proceso como elementos constitutivos de procesos de fabricación precisos.

Valorar correctamente ranuras y cavidades

Las geometrías interiores representan otro reto. Un láser necesita un acceso óptico directo a la zona de tratamiento. En ranuras profundas, socavaduras o zonas sombreadas, esa línea de visión puede estar limitada. Por eso, una ranura debe examinarse desde varios puntos de vista:

• Ancho: ¿Cabe el campo de tratamiento necesario en la geometría?
• Profundidad: ¿Sigue siendo la superficie accesible ópticamente?
• Ángulo: ¿Puede el haz incidir de forma adecuada en el fondo y en los flancos?
• Distancia: ¿Se puede posicionar el cabezal de tratamiento lo suficientemente cerca?

Las socavaduras profundas no se pueden tratar físicamente a través de un borde de material situado por encima. Suena evidente, pero para la práctica es importante: en una comprobación de viabilidad no debería observarse únicamente una fotografía de la cara exterior. En piezas complejas ayudan los planos, las medidas o la pieza original.

Distancia de trabajo y ángulo de incidencia

La distancia de trabajo y las condiciones de enfoque ya se explicaron en los fundamentos técnicos. En geometrías complejas adquieren una importancia adicional. Mientras el operario se desplaza sobre una superficie plana, la distancia puede mantenerse relativamente constante. En un contorno curvo puede variar en pocos centímetros, y el ángulo de incidencia también cambia. Por ello puede modificarse la forma de la zona del haz proyectada sobre la superficie.

Por eso, para lograr procesos reproducibles debería definirse qué desviaciones siguen estando dentro de la ventana de proceso prevista. En los trabajos manuales surge aquí un factor de experiencia; en una instalación automatizada la posición puede controlarse mediante trayectorias definidas.

Transiciones sin sobreprocesado

Especialmente críticas son las zonas de transición entre dos campos de tratamiento. Cuando una superficie grande se divide en varios tramos, estas zonas deben enlazar unas con otras. Un solape demasiado grande puede tratar una zona con más intensidad que el resto; uno demasiado pequeño puede dejar una franja visible o técnicamente tratada de forma insuficiente. Algo similar ocurre al pasar de la superficie a la arista.

Por eso, una buena estrategia de escaneo debería definir las transiciones de forma consciente. En procesos automatizados puede establecerse que el escáner trabaje con parámetros modificados en los límites de un campo de tratamiento o que el campo siguiente comience con un solape controlado.

En aplicaciones manuales ayuda una metodología de trabajo clara. En lugar de pasar varias veces por el mismo punto sin estructura alguna, la superficie puede dividirse sistemáticamente en zonas. Esto no solo mejora el resultado, sino que también facilita la estimación del tiempo de proceso.

Guiado manual e influencia del operario

Un sistema guiado a mano ofrece una gran flexibilidad: el operario puede reaccionar de forma espontánea a las formas de la pieza, modificar ángulos y tratar zonas de difícil acceso desde distintas direcciones. Al mismo tiempo, esta flexibilidad da lugar a una influencia del operario — dos personas pueden mover el mismo cabezal a distinta velocidad, elegir otra distancia o solapar las transiciones en mayor o menor medida.

En pedidos puntuales esto no suele suponer un problema. Sin embargo, en piezas recurrentes puede ser razonable estandarizar determinados procedimientos:

• dirección de movimiento definida
• velocidad de guiado aproximada
• orden establecido de las superficies
• número definido de pasadas
• imágenes de referencia del estado objetivo

Cuanto mejor documentadas estén estas especificaciones, menor será la dependencia del estilo de trabajo personal.

Escáner galvanométrico y movimiento automatizado

Un escáner galvanométrico desplaza el haz muy rápidamente mediante espejos dentro de un campo de tratamiento definido. Así, el movimiento local del haz puede realizarse mucho más rápido que el desplazamiento de un robot completo o de un cabezal de tratamiento. Por eso, en piezas complejas suele resultar adecuado un reparto de tareas: el escáner genera el patrón local y un robot o un sistema de ejes posiciona ese patrón sobre la pieza.

Fraunhofer IWS describe desde hace mucho tiempo ópticas de escáner para procesos láser rápidos y precisos. En los trabajos de desarrollo se comparan los movimientos de espejo planificados con los realmente ejecutados, con el fin de reducir las desviaciones en contornos dinámicos. Esto pone de manifiesto un punto importante: a velocidades elevadas no solo es relevante la trayectoria programada, sino también la dinámica del sistema óptico. En los cambios bruscos de dirección, la aceleración y la deceleración pueden desempeñar un papel.

Robots en piezas tridimensionales

Un robot industrial puede modificar la orientación del cabezal de tratamiento con respecto a la superficie. Así pueden tratarse piezas tridimensionales desde distintas direcciones. Esto resulta interesante, por ejemplo, en:

• componentes de carrocería
• conjuntos soldados complejos
• herramientas e insertos de molde
• piezas de máquina estructuradas

El reto consiste en combinar de forma adecuada el movimiento del escáner y el del robot. El robot no tiene que recorrer cada una de las líneas rápidas; posiciona el sistema óptico de modo que el escáner pueda trabajar en condiciones apropiadas dentro de su campo de trabajo. En aplicaciones de serie puede surgir así un procedimiento reproducible. Fraunhofer ILT menciona expresamente la integración de procesos de limpieza específicos de cada aplicación en procesos industriales existentes como parte de su oferta de servicios.

Cómo se desarrolla una estrategia de escaneo

Una estrategia razonable empieza por la geometría y no por un patrón estándar cualquiera. Un posible procedimiento:

• Definir las zonas objetivo: ¿Qué superficies deben tratarse realmente?
• Analizar la geometría: ¿Dónde se encuentran aristas, radios, cavidades y zonas de difícil acceso?
• Definir las superficies principales: ¿Qué zonas pueden tratarse con una trayectoria regular sencilla?
• Determinar las zonas especiales: ¿Qué zonas requieren una orientación distinta o parámetros propios?
• Planificar las transiciones: ¿Dónde confluyen los distintos campos de tratamiento?
• Realizar un ensayo: ¿Se obtiene un estado objetivo uniforme?
• Medir el tiempo de proceso: ¿Además de la calidad, la estrategia es también productiva?

En piezas complejas, la trayectoria no debería valorarse únicamente por su aspecto visual. Lo decisivo es el estado final técnico deseado. Cómo repercute esto en el tiempo necesario lo trata el artículo sobre los factores que influyen en el tiempo de proceso.

Control de calidad

Una buena estrategia de escaneo se reconoce en que el estado deseado se alcanza de la forma más uniforme posible. Según el proceso, pueden controlarse:

• restos visibles de recubrimiento
• diferencias de color
• estructura superficial
• limpieza definida
• anchura de tratamiento uniforme

En aplicaciones automatizadas pueden ser útiles sistemas adicionales de sensores y de supervisión. Fraunhofer IWS cita la monitorización de procesos, la sensórica y el control como componentes importantes de la moderna tecnología de sistemas láser. Para muchas aplicaciones basta de entrada con una superficie de referencia claramente definida — lo decisivo es que el resultado no dependa de una valoración puramente subjetiva.

Conclusión: una geometría compleja necesita su propia estrategia de trayectoria

Los patrones de escaneo influyen en el resultado sobre todo porque la superficie real no ofrece en todas partes las mismas condiciones geométricas. En una superficie plana, la distancia, el ángulo y el solape pueden mantenerse relativamente constantes. Las aristas, los radios y las ranuras modifican estas condiciones — con ello, la planificación de trayectorias se convierte en una parte propia del desarrollo del proceso.

Para la práctica son especialmente importantes: definir con exactitud las superficies a tratar, considerar por separado aristas y radios, comprobar la accesibilidad óptica de las cavidades, controlar la distancia de trabajo, planificar los solapes de forma consciente, estandarizar los procedimientos manuales, combinar el escáner y el sistema de manipulación en los procesos de serie, así como comprobar el resultado y el tiempo de proceso en la pieza original.

Cuanto más compleja es una pieza, menos sentido tiene una afirmación global basada en la superficie total en metros cuadrados. La estrategia de escaneo adecuada determina en parte si el tratamiento puede realizarse de forma uniforme, reproducible y rentable.

Fuentes

• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT — «Reinigen» (limpieza): tratamiento local y de grandes superficies, así como integración de procesos específicos de cada aplicación.
• Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS — tecnología de sistemas: escáner, sensórica, supervisión de procesos y control para procesos láser precisos; estudios sobre la deflexión rápida del haz y sobre las desviaciones entre las trayectorias teóricas y las reales.

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