Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología y la diversificación de las necesidades sociales, la competencia de productos es cada vez más feroz y el ciclo de renovación es cada vez más corto. Por lo tanto, se requiere no sólo diseñar nuevos productos lo antes posible de acuerdo con los requisitos del mercado, sino también fabricar prototipos en el menor tiempo posible, para realizar pruebas de rendimiento y modificaciones, y finalmente formar productos finales. En el sistema de fabricación tradicional, se necesita mucho diseño, fabricación y depuración de moldes, lo que tiene un alto costo y un ciclo largo, y no puede adaptarse al mercado cambiante. Para mejorar la velocidad de I + D y producción, fabricar moldes y productos de alta calidad y bajo costo de manera rápida y precisa, y responder ágilmente a los cambios del mercado, la gente ha realizado mucho trabajo de investigación y exploración. Con la continua caída del precio del láser industrial y la creciente madurez de la tecnología de procesamiento láser industrial, se han producido grandes cambios en la tecnología de fabricación de moldes y producción de productos. Este artículo presenta primero el láser de procesamiento industrial y luego presenta y analiza varios aspectos, como la fabricación de moldes por láser, el fortalecimiento y reemplazo del láser de la superficie del molde, la reparación del molde por láser, la limpieza del molde por láser, etc.
Láser de procesamiento industrial
En la actualidad, existen dos tipos principales de láseres industriales utilizados en el procesamiento láser: láseres de estado sólido y láseres de gas. Entre ellos, el láser de estado sólido está representado por el láser Nd:YAG; El láser de gas está representado por el láser de CO2. Con el desarrollo de la tecnología láser, en algunas aplicaciones de procesamiento también se utilizan láseres de fibra de alta potencia y láseres semiconductores de alta potencia.
1), láser Nd:YAG
El material de trabajo del láser Nd: YAG es una varilla sólida de Nd: YAG y su longitud de onda láser es de 1.06 μ m. Debido a la baja eficiencia de conversión del láser y a la limitación del volumen de la varilla YAG y la conductividad térmica, la potencia de salida promedio del láser no es alta. . Sin embargo, debido a que el láser Nd:YAG puede comprimir el ancho del pulso de la salida del láser a través del Q-switch, puede obtener una potencia máxima alta (108 W) cuando trabaja en modo de pulso, lo cual es adecuado para aplicaciones de procesamiento láser que requieren potencia máxima; Otra ventaja es que se puede transmitir a través de fibra óptica, lo que evita el diseño y fabricación de caminos ópticos de transmisión complejos. Es muy útil en el procesamiento tridimensional. Además, la longitud de onda del láser se puede convertir a 355 nm (UV) mediante tecnología de triplicación de frecuencia, que se puede aplicar en la tecnología de formación estéreo por láser.
2) láser de CO2
El material de trabajo del láser de CO2 es gas mixto de CO2 y su principal aplicación es la longitud de onda del láser de 10.6 μm. Debido a que la eficiencia de conversión del láser de este tipo de láser es alta y el calor generado por el láser se puede transferir rápidamente fuera del láser Al ganar área mediante convección o difusión, la potencia de salida promedio del láser puede alcanzar un nivel alto (por encima de 10000 vatios), cumpliendo con los requisitos del procesamiento láser de alta potencia.
Los láseres de CO2 de alta potencia utilizados en el procesamiento láser en el país y en el extranjero son principalmente láseres de flujo transversal y flujo axial. ① Láser de flujo cruzado: la calidad del haz del láser de flujo cruzado no es muy buena. Es una salida multimodo y se utiliza principalmente para tratamiento térmico y soldadura. En la actualidad, China ha podido producir varias series de láseres de CO2 de flujo cruzado de alta potencia, que pueden satisfacer las necesidades de soldadura y tratamiento térmico con láser a nivel nacional. ② Láser de flujo axial: la calidad del haz del láser de flujo axial es buena, que es la salida del modo básico o cuasi básico. Se utiliza principalmente para corte y soldadura por láser. El mercado de equipos de corte por láser en China está ocupado principalmente por láseres de flujo axial extranjeros. Aunque los fabricantes nacionales de láser han trabajado mucho en láseres de flujo axial extranjeros, debido a que los accesorios principales aún deben importarse, es difícil que el precio del producto baje significativamente y la tasa de penetración es baja.
Wuhan Bolai Technology Development Co., Ltd. ha desarrollado un láser de CO2 giratorio, como se muestra en la Figura 1. Con un nuevo modo de flujo de gas giratorio, el láser de CO2 giratorio tiene las ventajas de una buena calidad del haz del láser de CO2 de flujo axial y un bajo costo y Pequeño volumen de láser de CO2 de flujo cruzado. La popularización y aplicación de este tipo de láser de procesamiento industrial desempeñará un papel positivo en la promoción del desarrollo y la popularización de la industria de procesamiento láser en China.
Fabricación de moldes por láser.
1) Proceso de moldeo indirecto por láser
① El proceso del aparato de estereolitografía (SLA) consiste en formar una pieza de trabajo sólida tridimensional escaneando el adhesivo fotopolimerizable capa por capa con un rayo láser ultravioleta. En 1986, la empresa estadounidense de sistemas 3D lanzó al mercado el prototipo sla-1. La mayor precisión de mecanizado del proceso SLA puede alcanzar 0.05 mm.
② El proceso de fabricación de objetos laminados (LOM) utiliza materiales en láminas, como papel y películas plásticas, que fue desarrollado con éxito por la compañía estadounidense helisys en 1986. Mediante repetidos cortes por láser de CO2 y pegado de material, se obtiene la pieza de trabajo sólida fabricada en capas. LOM Process es adecuado para fabricar piezas de trabajo grandes con una precisión de 0.1 mm.
③ El proceso de sinterización selectiva por láser (SLS) se forma mediante materiales en polvo. Fue desarrollado con éxito por la Universidad de Texas en Austin en 1989. Se forman piezas de trabajo tridimensionales escaneando selectivamente el polvo de material sinterizado capa por capa con un láser de CO2 de alta intensidad. La mayor ventaja del proceso SLS es que tiene una amplia gama de materiales.
Las tres tecnologías de creación rápida de prototipos con láser mencionadas anteriormente se han utilizado ampliamente en el país y en el extranjero debido a su largo tiempo de desarrollo y su tecnología relativamente madura. Sin embargo, la pieza de trabajo tridimensional formada mediante el método anterior no se puede utilizar directamente como molde y necesita tratamiento posterior, por lo que se denomina proceso de moldeo indirecto por láser. Los principales métodos de procesamiento son los siguientes: ① la pieza de trabajo de creación rápida de prototipos se utiliza como matriz después del procesamiento. El molde de papel fabricado por LOM reemplaza directamente el molde de madera moldeado en arena después del tratamiento de la superficie; O el molde de papel hecho de LOM se puede utilizar directamente como molde de aleación de bajo punto de fusión y molde de inyección después del tratamiento de la superficie; O el molde de cera en fundición a pérdida de cera. La pieza de trabajo fabricada por SLS se utiliza como matriz de metal después de la infiltración de cobre. ② La pieza de creación rápida de prototipos se utiliza como molde maestro y el molde blando se fabrica vertiendo caucho de silicona, resina epoxi, poliuretano y otros materiales. ③ Dé la vuelta al troquel duro con piezas de creación rápida de prototipos. Una es utilizar LOM directamente para fabricar moldes a base de papel y luego molerlo en un molde de metal después de rociar y pulir la superficie con arco metálico; El otro es un troquel de respaldo duro de superficie metálica. Los moldes duros anteriores se pueden utilizar para fundición en arena, fabricación de troqueles de EPC, moldes de inyección y moldes de trefilado simples que no sean de acero.
El proceso de moldeo indirecto por láser anterior no solo puede evitar cortes mecánicos complejos, sino que también garantiza la precisión del molde, sino que también acorta en gran medida el tiempo de moldeo y ahorra costos de moldeo. Para el molde de precisión con forma compleja, sus ventajas son particularmente destacadas. Sin embargo, en la actualidad, todavía existe la desventaja de una vida útil relativamente corta de la matriz, por lo que la matriz de conformado indirecto por láser anterior es más adecuada para la producción de lotes pequeños.
2) Proceso de moldeo directo por láser
La tecnología de fusión selectiva por láser (SLM) se desarrolla sobre la base de la tecnología de sinterización selectiva por láser (SLS). Las características de SLM son las siguientes: (1) utilizar un rayo láser con alta densidad de potencia y punto pequeño para procesar metal, de modo que las piezas metálicas tengan una precisión dimensional de 0.1 mm; (2) Las piezas hechas de metal fundido tienen la entidad de combinación metalúrgica y la densidad relativa puede alcanzar casi el 100%, lo que mejora en gran medida el rendimiento de las piezas metálicas; (3) Debido a que el diámetro del punto láser es muy pequeño, puede fundir el metal con un punto de fusión alto con baja potencia, lo que hace posible fabricar piezas con polvo metálico de un solo componente. La Figura 2 muestra todas las piezas metálicas fabricadas por German EOS GmbH mediante el proceso de fusión selectiva por láser (SLM).
La tecnología de creación rápida directa de prototipos de revestimiento láser multicapa (o tridimensional / tridimensional) es una tecnología de fabricación de alta tecnología desarrollada sobre la base de la tecnología de creación rápida de prototipos y la tecnología de revestimiento láser de alimentación sincrónica. Su esencia es el revestimiento láser tridimensional bajo control por computadora. Debido a las características de rápida solidificación del revestimiento láser, las piezas metálicas fabricadas tienen una estructura dendrítica fina y uniforme y una calidad excelente, y su densidad y propiedades son equivalentes a las de las piezas metálicas convencionales. El revestimiento multicapa láser ha desarrollado una variedad de métodos, entre los cuales el más representativo es la tecnología de creación rápida de prototipos de piezas metálicas llamada conformación de red (lente) diseñada por láser desarrollada por Sandia National Laboratories. Con este método se han fabricado con éxito piezas de trabajo de acero inoxidable, acero martensítico, superaleaciones a base de níquel, acero para herramientas, aleaciones de titanio, materiales magnéticos y compuestos intermetálicos de níquel y aluminio, y la densidad de las piezas es casi del 100%. La Figura 3 muestra el molde metálico fabricado por el Laboratorio Nacional Sandia con tecnología de lentes.
La tecnología de fusión selectiva por láser (SLM) y la tecnología de formación de redes (lentes) de ingeniería láser han sido ampliamente valoradas por los círculos industriales y académicos debido a su buena compacidad, alta estructura y precisión de unión metalúrgica y larga vida útil. Se han introducido en el extranjero diversos prototipos de equipos, e incluso algunos han comenzado a comercializarse; En la actualidad, la investigación y aplicación en China están todavía en sus primeras etapas.
Además, existe una tecnología de fabricación por capas (LOM) de piezas metálicas basada en corte fino por láser, que permite fabricar moldes grandes y complejos de forma rápida y a bajo coste. El laboratorio de investigación japonés Nakagawa Weixiong aplicó la tecnología LOM de chapa para realizar la fabricación rápida en capas de moldes de metal ya en la década de 1980. Después del desarrollo, la tecnología LOM de chapa se ha aplicado gradualmente a la fabricación de grandes moldes de decoración interior y exterior, como automóviles y moldes de inyección con canales de flujo complejos.
Modificación láser de la superficie del troquel.
El tratamiento de la superficie del molde siempre ha sido un tema importante en el campo del mecanizado. Con el desarrollo de nuevas tecnologías y nuevos procesos, muchos métodos de tratamiento tradicionales no son adecuados. Para moldes con formas complejas, el método de tratamiento de superficie más ideal es utilizar láser. Casi no tiene deformación. La dureza de la superficie es mayor que la del método de tratamiento convencional, es más resistente al desgaste y tiene una vida útil más larga.
1) Endurecimiento por transformación láser
El endurecimiento por transformación por láser también se denomina enfriamiento por láser. Debido a que la velocidad de enfriamiento del enfriamiento por láser es mucho mayor que la del enfriamiento convencional, se puede obtener martensita muy fina. El endurecimiento por transformación láser tiene las ventajas de una mayor dureza que el enfriamiento convencional, menos deformación, una capa superficial delgada y un enfriamiento local, y no afecta las propiedades mecánicas del sustrato.
2) Fortalecimiento del choque con láser.
El refuerzo por impacto láser es una tecnología que cambia las propiedades físicas y mecánicas de la superficie del material mediante una fuerte onda de choque generada por la interacción entre la densidad de alta potencia y el haz láser de pulso corto y el material. En el proceso de choque láser, debido a que la tensión máxima de la onda de choque inducida por el láser es mayor que el límite elástico dinámico del material, el material produce una estructura de dislocación densa, uniforme y estable, hace que la superficie del metal se deforme plásticamente y forma una compresión residual profunda. tensión, para mejorar la resistencia, la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión y la vida útil de la fatiga de las piezas metálicas. Sus principales ventajas son: alta presión de impacto y la profundidad de fortalecimiento alcanza de 4 a 8 veces la profundidad de fortalecimiento del granallado tradicional; Puede procesar piezas que no pueden procesarse con la tecnología tradicional, como pequeñas ranuras, pequeños agujeros y líneas de contorno; La superficie metálica reforzada por choque láser no producirá distorsión, daño mecánico, daño por estrés térmico ni transformación de fase.
3) Aleación por láser y revestimiento por láser.
La aleación por láser y el revestimiento por láser consisten en recubrir una capa de material con ciertas propiedades diferentes de la matriz del molde y al mismo tiempo irradiar el área de recubrimiento con un rayo láser de alta energía. La aleación por láser hace que el material de recubrimiento se funda junto con parte del sustrato y produzca un proceso de aleación ajustando la potencia de salida del láser; El revestimiento láser es la combinación rápida de la capa de recubrimiento y la superficie del sustrato bajo la acción del láser. La principal diferencia entre esta y la aleación por láser es que la composición química del recubrimiento básicamente no cambia después de la acción del láser y la composición del sustrato básicamente no ingresa al recubrimiento. La nueva tecnología de aleación de superficies por láser y modificación de superficies de revestimiento por láser basada en la síntesis y preparación de nuevos materiales de solidificación rápida es uno de los métodos más eficaces para mejorar la resistencia al desgaste y la corrosión de los materiales de matrices a altas temperaturas.
Dos, reparación de moldes por láser.
De hecho, la falla de la matriz se descarta debido al desgaste de los materiales locales en la superficie, y el ciclo de procesamiento de la matriz de metal es largo y el costo de procesamiento es alto. La vida útil de la matriz depende de su capacidad para resistir el desgaste y los daños mecánicos. Una vez que esté excesivamente desgastado o dañado mecánicamente, debe repararse antes de que pueda volver a utilizarse. En la actualidad, las tecnologías de mantenimiento más utilizadas incluyen galvanoplastia, revestimiento de superficies y pulverización térmica. La capa electrodepositada es delgada, la combinación con el sustrato es deficiente y la parte dañada de la forma es difícil de reparar; Durante el revestimiento y la pulverización, la inyección de calor es grande y la zona de la matriz afectada por el calor es grande. La aplicación de láser para el mantenimiento de moldes, debido al calentamiento rápido adiabático aproximado causado por la alta densidad de energía del rayo láser, tiene poco impacto térmico en la matriz y la distorsión causada puede ignorarse. Existen dos métodos principales para la reparación de moldes con láser:
1) Reparación de matriz de revestimiento láser.
La reparación del troquel se realiza mediante revestimiento láser. El rayo láser de CO2 de alta potencia incide sobre la superficie de la matriz al mismo tiempo que el flujo de polvo metálico a una potencia constante. El metal se funde para producir un charco fundido y luego se solidifica rápidamente para formar un recubrimiento unido metalúrgicamente. Este método generalmente utiliza un láser de CO2 de alta potencia como fuente de calor, que es adecuado para la reparación de moldes con gran volumen y gran área de desgaste, así como para la reparación de piezas de trabajo grandes, como rollos de acero.
2) Reparación de matriz de soldadura por deposición láser.
La reparación del troquel de soldadura por deposición láser adopta un láser Nd: YAG pulsado de potencia media y pequeña, y los defectos del troquel se rellenan con un rayo láser y material de relleno filamentoso. El rayo láser funde el alambre de soldadura y la superficie de la pieza de trabajo al mismo tiempo, y la altura de sedimento requerida se logra mediante soldadura multicapa; Después de soldar, las piezas del molde se procesan hasta alcanzar el tamaño final. Este método es adecuado para moldes de precisión con volumen pequeño. La máquina de soldar Starweld fabricada por la empresa rofin Sinar es un representante de este tipo de equipo.
La aplicación de pulsos láser de alta energía para eliminar la suciedad de la superficie producida en el proceso de uso del molde es otra aplicación de la tecnología láser en la industria del molde. Hay dos mecanismos de limpieza: uno consiste en utilizar directamente el láser para calentar la suciedad para vaporizarla y volatilizarla, o calentarla y expandirla instantáneamente y eliminarla de la superficie del sustrato del molde mediante vapor; Además, bajo la acción de una alta densidad de energía y un láser pulsado de alta frecuencia, se genera una tensión dividida en la capa de suciedad, que se separa de la matriz del molde. En comparación con el método tradicional de limpieza con chorro de arena, la limpieza con láser tiene las ventajas de una velocidad de limpieza rápida, sin daños a la superficie del molde y limpieza en línea (lo que puede ahorrar mucho tiempo de desmontaje, instalación y puesta en servicio). En la actualidad, el equipo de limpieza láser producido por la empresa alemana de sistemas de láser a chorro es relativamente avanzado.
Observaciones finales
El alto brillo, la alta directividad y la alta monocromaticidad del láser hacen que el rayo láser se enfoque a través de la lente, que puede producir una temperatura alta de miles o incluso decenas de miles de grados cerca del foco, lo que permite procesar casi todos los materiales. El procesamiento láser se ha utilizado ampliamente en diversos campos manufactureros e industrias en el extranjero; Al mismo tiempo, China ha estado invirtiendo una gran cantidad de mano de obra y recursos materiales en la investigación y el desarrollo de equipos de procesamiento láser y tecnología de procesamiento láser. El molde es uno de los equipos industriales importantes para la formación de productos industriales, lo que determina en gran medida la adaptabilidad de las empresas en la competencia del mercado. La formación de moldes se ha convertido en un importante medio y dirección de desarrollo de procesos de los productos industriales modernos. El procesamiento láser tiene grandes ventajas en la fabricación de troqueles y en algunas ocasiones reemplaza el troquel (como el corte con láser que reemplaza el troquel de punzonado en piezas de chapa y el marcado láser reemplaza el marcado de troquel de punzonado). Cómo aplicar la tecnología de procesamiento láser para acortar el ciclo de fabricación de moldes (T), garantizar la calidad de fabricación de moldes (q) y reducir el costo de fabricación de moldes (c) en la producción real requiere investigación y exploración continuas y en profundidad.