01 Principios técnicos y características
El principio básico del láser guiado por agua-es acoplar el rayo láser a un microchorro de agua a alta-presión y guiar el láser hasta la superficie del material a través del chorro de agua. En este sistema, el láser generado por la fuente láser pasa primero a través de una serie de componentes ópticos (como lentes y espejos) para colimación y enfoque, y luego se combina con el chorro de agua a alta-presión a través de una boquilla especial. El chorro de agua forma un pequeño canal en la boquilla y el rayo láser se guía a través de este canal hasta la superficie de la pieza de trabajo, como se muestra en la Figura 1. Debido a que el índice de refracción del agua es diferente al del aire, la trayectoria de propagación del láser en el agua cambia, por lo que se requiere un diseño óptico preciso para garantizar la estabilidad y el enfoque de energía del rayo láser.
Figura 1. El principio técnico de los láseres-guiados por agua.
Alta precisión: la tecnología láser-guiada por agua puede alcanzar una precisión de procesamiento de nivel submilimétrico o incluso micrométrico-. Dado que el diámetro del chorro de agua es muy pequeño, normalmente de sólo decenas a cientos de micrómetros, el rayo láser puede guiarse con precisión a posiciones específicas de la pieza de trabajo para operaciones de corte, taladrado o grabado finos. Alta eficiencia: durante el procesamiento láser guiado por agua-, el rayo láser se transmite directamente a la superficie de la pieza de trabajo a través del chorro de agua, lo que reduce la pérdida de energía y la dispersión en el aire. Además, el chorro de agua también proporciona efectos de enfriamiento y lavado, lo que reduce efectivamente la temperatura de la superficie de la pieza de trabajo y reduce la zona afectada por el calor-, mejorando así la eficiencia y la calidad del procesamiento. Daño térmico reducido: debido al efecto de enfriamiento del chorro de agua, la-zona afectada por el calor (HAZ) en el procesamiento con láser guiado por agua-es muy pequeña. La zona afectada por el calor-se refiere al área de la superficie y dentro de la pieza de trabajo donde se producen deformaciones térmicas, daños o cambios de fase debido a la conducción de calor y la radiación durante el procesamiento con láser. El rápido enfriamiento del chorro de agua en el procesamiento láser guiado por agua-elimina rápidamente el calor de la superficie de la pieza de trabajo, reduciendo así el tamaño y la profundidad de la zona afectada por el calor-y evitando la deformación térmica y el daño al material.
Figura 2. (a) Imágenes SEM de secciones cortadas de aleación de titanio mediante corte con 'láser seco convencional' y corte con láser guiado por agua-, (b) comparación de superficies cortadas de CFRP obtenidas con láser guiado por agua-y corte con 'láser seco convencional'.
02 Campos de aplicación
Campo aeroespacial: el campo aeroespacial tiene requisitos muy altos en cuanto a precisión y calidad del procesamiento de materiales, y la tecnología láser-guiada por agua se utiliza ampliamente en esta área. Se puede utilizar para procesar componentes clave de motores aeroespaciales, como palas, discos de turbina y cámaras de combustión, que generalmente están hechos de materiales difíciles-de-procesar como superaleaciones y aleaciones de titanio. Los láseres-guiados por agua pueden cortar y grabar de manera efectiva estos materiales al mismo tiempo que garantizan la precisión del procesamiento y la calidad de la superficie, mejorando así el rendimiento y la confiabilidad de los componentes. Además, los láseres-guiados por agua también se pueden utilizar para procesar piezas estructurales de vehículos aeroespaciales, como alas y fuselajes, lo que permite mecanizar formas complejas y diseños ligeros.
Campo de semiconductores: en la fabricación de semiconductores, los láseres-guiados por agua se pueden utilizar para cortar materiales semiconductores como obleas de silicio, así como para empaquetar y probar chips. Debido a que los materiales semiconductores requieren una precisión de procesamiento y una calidad de superficie extremadamente altas, las características de alta precisión y bajo daño térmico de los láseres guiados por agua-los convierten en una herramienta de procesamiento ideal. Pueden lograr un corte fino de obleas de silicio, evitando grietas y daños, mejorando así el rendimiento y el rendimiento de los chips. Además, los láseres-guiados por agua se pueden utilizar para micro-dispositivos semiconductores de procesamiento, como la fabricación de componentes microelectrónicos y el grabado de microcircuitos, proporcionando precisión de mecanizado a nivel micrométrico o incluso nanométrico.
Nuevo campo energético: en el nuevo sector energético, los láseres-guiados por agua se pueden utilizar para procesar componentes clave de nuevos dispositivos energéticos, como paneles solares y pilas de combustible. Por ejemplo, en la fabricación de paneles solares, se pueden utilizar láseres-guiados por agua para cortar obleas de silicio y grabar patrones de electrodos en la superficie de las células solares, mejorando la eficiencia de la conversión fotovoltaica y el rendimiento de los paneles. En la fabricación de pilas de combustible, los láseres-guiados por agua pueden procesar componentes como conjuntos de electrodos de membrana y placas bipolares, lo que permite un corte y grabado de alta-precisión, mejorando así el rendimiento y la vida útil de las pilas de combustible.
Figura 3. Aplicaciones de láseres-guiados por agua.
03 Desafíos y problemas que enfrenta el agua-Láseres guiados por agua
Estabilidad del chorro de agua: durante el procesamiento láser guiado por agua-, el chorro de agua que fluye a alta velocidad-puede volverse inestable, lo que puede afectar la calidad del procesamiento. Por ejemplo, durante el corte, las fluctuaciones en el chorro de agua podrían provocar desviaciones en la línea de corte o aumentar la rugosidad de la superficie, lo que afectaría tanto a la precisión del mecanizado como a la calidad de la superficie. Para garantizar la estabilidad del chorro de agua, es necesario optimizar el sistema de control del chorro de agua para que pueda mantener un estado estable durante todo el procesamiento.
Láser-Eficiencia de acoplamiento de agua: la eficiencia de acoplamiento entre el rayo láser y el chorro de agua afecta directamente los resultados del procesamiento. Si la eficiencia del acoplamiento es baja, la pérdida de energía del láser en el chorro de agua aumentará, lo que reducirá tanto la eficiencia como la calidad del procesamiento.
Requisitos técnicos para los orificios de la boquilla: para garantizar un procesamiento láser guiado por agua- de alta-calidad{1}}, el diseño y la precisión de fabricación de los orificios de la boquilla son fundamentales. El orificio de la boquilla debe tener paredes extremadamente delgadas y, al mismo tiempo, mantener una alta precisión en la redondez y una conicidad cero para resistir el impacto del flujo de agua. Además, la rugosidad de la superficie interior del agujero debe mantenerse extremadamente baja para garantizar la estabilidad y consistencia del chorro de agua.
Adaptabilidad medioambiental: los equipos de procesamiento láser-guiados por agua tienen requisitos medioambientales estrictos. Por ejemplo, el funcionamiento del equipo requiere un suministro de energía estable, agua limpia y un ambiente de temperatura y humedad constantes. En entornos con malas condiciones, como grandes fluctuaciones de temperatura, alta humedad o suministro de energía inestable, el rendimiento del equipo puede degradarse o incluso fallar. Además, factores como el polvo y la vibración del entorno pueden interferir con el procesamiento, afectando la precisión y la calidad del mecanizado. Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, es necesario un control y una gestión estrictos del entorno operativo del equipo.
04 Estado actual de desarrollo de la industria en el país y en el extranjero
Con el avance continuo de la tecnología de procesamiento de precisión láser y la creciente demanda del mercado, la tecnología de procesamiento láser guiado por agua-también se desarrolla y mejora continuamente. Los principales fabricantes de equipos láser guiados por agua-reconocidos internacionalmente incluyen principalmente dos empresas: Synova y Avonisys de Suiza. Actualmente, entre las empresas nacionales-de equipos de procesamiento láser guiados por agua, las que se están desarrollando con relativa rapidez incluyen Wot Intelligent Manufacturing, Cosset y Shanghai Lengchen Technology, entre otras. Algunas otras empresas adoptan el enfoque de introducir directamente tecnologías extranjeras relacionadas y luego ensamblarlas y producirlas en el país mientras optimizan sus productos. Si bien esto puede llenar rápidamente los vacíos tecnológicos y reducir los costos y el tiempo de I+D en el corto plazo, todavía existen ciertos problemas en el largo plazo, como la dependencia de tecnologías centrales extranjeras, una inversión desequilibrada en I+D y riesgos de derrame en la cadena industrial. El autor cree que se debe establecer un ciclo positivo de 'introducción-absorción-superación'. La buena noticia es que ahora existen empresas nacionales capaces de suministrar equipos comerciales con componentes 100% producidos localmente. Con la transformación y mejora de la industria manufacturera de China, la tecnología de procesamiento láser-guiada por agua desempeñará un papel más importante en la fabricación de alta-fabricación, especialmente en vehículos de nueva energía, aeroespaciales y en la fabricación de equipos-de alta gama. La aplicación de la tecnología láser guiada por agua-impulsará la innovación tecnológica y la mejora de productos en estas industrias.
