Con la introducción de ángulos de corte láser, se establece un enfoque completamente nuevo en el desarrollo de herramientas desde el punto de vista constructivo y de fabricación. En lugar del tradicional proceso de mecanizado sustractivo mediante rectificado, el láser requiere una construcción negativa, donde las geometrías de las herramientas se diseñan específicamente para la eliminación de material a través del láser. Esto conlleva un mayor esfuerzo de diseño, requiere procesos CAD especializados y plantea nuevas exigencias en la estructuración de datos.
«La integración de geometrías de corte láser en herramientas de carburo marca un cambio fundamental en el diseño y la fabricación», enfatiza Alexander Seifermann, director de diseño en el fabricante de herramientas de precisión SIMTEK de Mössingen. «Donde antes principalmente rectificábamos, hoy a menudo se utiliza el láser, con consecuencias significativas para la geometría, el diseño y la aplicación. Pasamos de la eliminación de material clásica y a gran escala a un diseño puntual y tridimensional de geometrías complejas en negativo.»
Además, el progreso tecnológico trae consigo ventajas empresariales: «Las ventajas son claras: podemos crear geometrías de corte de alta precisión, con un control de virutas optimizado y a menudo una funcionalidad ampliada», añade Norbert Seifermann, director general de SIMTEK. A pesar de los obstáculos iniciales que hubo que superar, el esfuerzo adicional merece la pena para la mayoría de los casos de aplicación de herramientas personalizadas. «Los resultados de corte son tan convincentes que hemos comenzado a incorporar gradualmente las geometrías láser en nuestro catálogo estándar de herramientas.»
Cambio constructivo: De la eliminación a la construcción negativa
El diseño clásico de herramientas se basaba en el principio de la eliminación de material a gran escala. El diseño estaba concebido para que en la fabricación, a partir de un blank, se pudieran generar los ángulos de corte y las superficies de desalojo definidos mediante rectificado. Sin embargo, el láser requiere un pensamiento completamente diferente: ahora se modela lo que posteriormente será eliminado.
Esta «construcción negativa» conlleva un esfuerzo significativamente mayor en CAD y genera varios conjuntos de datos adicionales por herramienta. El diseñador debe especificar exactamente qué áreas deben eliminarse, un principio que se asemeja a la construcción de herramientas en moldeo por inyección, pero que es mucho más complejo en su implementación. «Dado que al láser se trabaja realmente con un negativo, el modelo construido sirve únicamente para el control interno», explica el director de diseño Alexander Seifermann.
«La fabricación accede directamente al modelo negativo, lo coloca virtualmente en el filo y luego elimina exactamente el material que previamente se definió constructivamente.»
El láser abre nuevos espacios de corte, pero plantea mayores exigencias
Las geometrías láser permiten estructuras altamente complejas: ahorros, abultamientos, protuberancias, todo se planifica en tres dimensiones y se implementa con precisión. Esto crea nuevas oportunidades en el control de virutas y la optimización de herramientas. Al mismo tiempo, sin embargo, aumenta la exigencia en el diseño: se necesita un conocimiento profundo y un proceso de coordinación mucho más estrecho con el cliente. Además, los programas CAD comerciales utilizados por SIMTEK están limitados para este proceso; se requieren métodos de trabajo especiales para garantizar transiciones limpias y geometrías sin errores. Alexander Seifermann y su equipo conocen el problema: «Lo que pudimos resolver en el proceso de rectificado a través de experiencias y formas estándar se convierte en un desafío constructivo al láser.»
Las exigencias en CAD, fabricación y la comunicación con el cliente aumentan significativamente, y con más de 3,500 nuevos desarrollos personalizados al año, esto no es una trivialidad. Al mismo tiempo, estamos abriendo completamente nuevas posibilidades con geometrías láser: mejor control de virutas, mayores tiempos de vida, procesos más estables e integración de varios pasos de procesamiento en una sola herramienta.
Competencia a partir de la experiencia
La incursión en el corte de geometrías láser en SIMTEK fue un arduo proceso de aprendizaje; a través de prueba, error y experiencia, se desarrolló a lo largo de los años una profunda experiencia. Hoy en día, tanto herramientas especiales como estándar pueden equiparse con geometrías láser. Estas herramientas ofrecen ventajas enormes, especialmente en el mecanizado de piezas pequeñas, en cobre, aluminio u otros materiales sin plomo en términos de manejo de virutas y calidad de superficie.
Sin embargo, a menudo existe una necesidad de aclaración al introducir geometrías láser. En este sentido, los expertos de SIMTEK asesoran a sus clientes y muestran las ventajas que conlleva una geometría láser. En estos casos, la geometría planificada se visualiza y explica inicialmente para hacer transparente la intención constructiva. Este proceso de coordinación generalmente conduce a preguntas de seguimiento y puede alargar un poco el proceso de aprobación, pero también asegura en la mayoría de los casos una mayor comprensión y, en última instancia, mejores resultados.
El láser no siempre significa lo mismo
En las conversaciones, a veces se menciona que el corte de geometrías de herramientas se ha establecido durante años. Sin embargo, es necesario diferenciar: mientras que esta tecnología ya ha demostrado su eficacia en el ámbito de herramientas de PCD (diamante policristalino), el corte láser de carburo, especialmente en el contexto de herramientas para la microproducción, representa un desafío mucho mayor.
Debido a razones tecnológicas, los materiales se comportan de manera diferente al láser: las partículas de PCD se descomponen a partir de aproximadamente 700 °C en grafito. En presencia de oxígeno, el deterioro oxidativo y la descomposición comienzan ya a partir de aproximadamente 600 °C, mientras que en vacío la descomposición se retrasa a partir de 1300 °C. El grafito se descompone, se vuelve cada vez más inestable y se puede eliminar relativamente fácilmente. «Este proceso comienza principalmente en los límites de grano, que son especialmente importantes en herramientas de corte; allí a menudo se encuentra el filo de corte o la forma de escalón de viruta definida», precisa Alexander Seifermann. En contraste, el punto de fusión del tungsteno en el carburo es de aproximadamente 3400 °C, y el punto de ebullición incluso supera los 5000 °C. A estas temperaturas, sin embargo, ya se evaporan otros componentes de aglutinante como el cobalto y el carbono, lo que dificulta enormemente el procesamiento.
Después de que SIMTEK lanzara públicamente las geometrías láser por primera vez en la AMB 2024, otros también se han sumado al tren. «Éramos conscientes de que otros fabricantes de herramientas ahora trabajarían intensamente en el tema del láser, después de haber visto que funciona», enfatiza Norbert Seifermann. Aunque al principio eran estructuras más simples y lejos del filo principal, las geometrías ahora son más complejas.
Además, también se suman formas ISO sinterizadas o inyectadas. «Cortamos microgeometrías que ya no se pueden sinterizar o inyectar, y sí, cortadas hasta el filo de corte, de manera específica y con alta precisión.» El resultado son bordes de corte extremadamente afilados. «Lo que a veces parece ser un borde de protección es en realidad un ángulo perimetral definido con precisión, que se introduce de manera exacta y se ajusta funcionalmente», precisa el director de diseño Alexander Seifermann.
El control de virutas requiere diálogo: por qué la comunicación es crucial
Las geometrías láser ofrecen posibilidades completamente nuevas en el mecanizado: desde la ruptura de virutas controlada hasta el redireccionamiento y el enrollado definido. Sin embargo, para poder aprovechar completamente estos potenciales, es crucial un intercambio cercano entre el usuario y el fabricante. "Cuanto más sabemos sobre el caso de aplicación concreto, más precisa podemos diseñar la geometría", explica Norbert Seifermann. Esto es especialmente cierto para materiales desafiantes como el acero de embutición C10, el aluminio sin plomo o el cobre. Con parámetros ajustados y geometrías láser, se pueden realizar rupturas de virutas seguras en el proceso, incluso donde los límites físicos se oponen a una ruptura completa de virutas.
Información práctica como base para resultados óptimos
Para que una herramienta pueda desplegar todo su potencial, son indispensables datos precisos sobre el material, los valores de corte y las condiciones de uso. En la práctica, se ha demostrado que pequeñas desviaciones en el avance o la calidad del material pueden tener un gran impacto en el comportamiento de las virutas. "Si conocemos estos parámetros con antelación, podemos ajustar la geometría de manera óptima", enfatiza Alexander Seifermann. En herramientas especiales, que a menudo se utilizan solo en pequeñas cantidades o en aplicaciones únicas, la retroalimentación constructiva es especialmente valiosa. De este modo, se pueden desarrollar geometrías exitosas de manera específica. "La estrecha coordinación con nuestros clientes asegura que, incluso sin simulación digital completa, podamos desarrollar soluciones prácticas: individuales, confiables y orientadas a la aplicación."
Del caso especial a la herramienta estándar
A diferencia de la fabricación individual a medida, en el área estándar se pueden llevar a cabo series de pruebas internas en SIMTEK. Por lo tanto, muchas de las geometrías estándar utilizadas hoy se basan en soluciones especiales implementadas con éxito anteriormente. "Hemos transferido los conocimientos de los desarrollos especiales, por ejemplo, sobre geometrías basadas en radios completos, a herramientas estándar y las hemos establecido con gran éxito", explica el director de construcción sobre el enfoque.
Particularmente en las cuchillas de forma de radio completo, la geometría generada por láser es especialmente efectiva: permite una conducción uniforme de las virutas a lo largo de toda el área de corte, a diferencia del afilado clásico, donde el ángulo de viruta cambia involuntariamente según el avance y la profundidad de corte.
Más eficiencia mediante ajustes de geometría específicos. Un ejemplo concreto de aplicación muestra la ventaja de las geometrías láser de manera particularmente clara: donde antes se necesitaban dos herramientas y un soporte adicional para realizar cortes radiales y desconexiones, hoy en día basta con una única herramienta láser, como demuestra la práctica. Esto no solo ahorra cambios de herramienta y energía, sino que también reduce significativamente el desgaste de la máquina y la herramienta.
Otro ejemplo práctico se refiere al mecanizado de un tornillo de drenaje de aceite con varios diámetros y un desbaste axial. Mientras que en el proceso de afilado, generalmente se necesitaban dos herramientas separadas con una guía de geometría restringida para tales tareas, mediante el láser se pueden introducir cortes y ángulos de viruta de tal manera que todos los pasos de trabajo se pueden realizar con una sola herramienta, sin compromisos en la conducción de las virutas.
Norbert Seifermann dice al respecto: "Con el afilado, habríamos introducido un escalón de viruta en la dirección principal de corte, pero ¿cuál es en realidad la dirección principal de corte en un caso así? Probablemente habríamos elegido un ángulo de viruta de 0°, lo cual es extremadamente subóptimo. Sin embargo, al utilizar el láser, la geometría se puede ajustar con precisión al proceso de manera continua."
Cambio constructivo con efectos
Mientras que la construcción inicialmente evaluaba cada nueva herramienta de manera individual, esto se ha convertido en un principio de construcción probado. El primer paso: una geometría envolvente y cortante, ajustada a los avances esperados. "Esto tiene un impacto directo en el comportamiento de la máquina: las herramientas funcionan más suavemente, las fuerzas de corte disminuyen, se reduce el golpeteo y, al mismo tiempo, se pueden realizar valores de corte más altos", sabe Norbert Seifermann.
Un caso concreto muestra este efecto: en un material fácilmente mecanizable, el cambio a una herramienta láser no solo mejoró significativamente la calidad de la superficie, sino que también se eliminó un paso completo de post-procesamiento.
Afilado parisino reemplazado por láser
Aunque el control de virutas a menudo es el objetivo principal, también se justifican valores de corte más altos, tiempos de procesamiento más cortos y mejores calidades de superficie para el uso de geometrías láser. Un ejemplo ilustrativo es el llamado "afilado parisino": una geometría híbrida compleja y pulida para operaciones de corte y torneado longitudinal. Sin embargo, esta geometría generaba virutas incontroladas y era más costosa de fabricar para el fabricante de herramientas. Al cambiar a una solución láser, SIMTEK pudo resolver completamente el problema. La variante de afilado anterior ha sido eliminada del catálogo y reemplazada por la versión láser.
Geometrías estándar con sistema - y con límites
A pesar de todos los avances, el área estándar sigue estando limitada a geometrías universales como el desbaste y el acabado. Estas deben funcionar para una variedad de materiales. Esto da lugar inevitablemente a conflictos de objetivos: lo que funciona excelentemente para un cliente puede ser inadecuado para otro. Por lo tanto, no es realista una cobertura completa de todos los casos de aplicación en el estándar: aquí, la herramienta especial sigue siendo la mejor opción.
Láser con medida a ojo - la rentabilidad decide
A pesar de las posibilidades tecnológicas, el láser no siempre es económicamente viable. Especialmente en series pequeñas o mecanizados simples, una geometría láser puede exceder la necesidad real. La decisión siempre debe tomarse de manera individual, dependiendo del material, la tarea de mecanizado, los tiempos de ciclo y preparación, así como la cantidad esperada. También puede suceder que una variante láser convenza, pero una afilada se integre mejor en las especificaciones de tiempo del cliente. Por lo tanto, el lema es: No todo lo que es técnicamente posible debe ser láserizado, sino solo lo que resulta rentable y seguro en el proceso.
Conclusión: Del caso especial a la solución en serie
El láser permite ajustar herramientas exactamente a los requisitos concretos del cliente, por ejemplo, mediante geometrías envolventes para procesos de corte y desconexión. Esto reduce los cambios de herramienta, ahorra tiempo de procesamiento y aumenta la seguridad en el proceso. Incluso problemas que anteriormente eran difíciles de controlar, como las virutas enredadas en desbastes de roscas o el aumento de virutas en ángulos de viruta negativos, se pueden resolver con éxito mediante geometrías láser. Lo que comenzó como un enfoque experimental en SIMTEK es hoy una tecnología establecida con procesos claramente definidos. Las geometrías de herramientas láser proporcionan un control de virutas confiable, altas duraciones de vida y abren nuevas posibilidades en el desarrollo de herramientas. Para alrededor del 80-90 por ciento de las aplicaciones, las herramientas láser 3D ofrecen una alternativa realista, y a menudo superior, al afilado convencional, tanto técnica como económicamente.
Autor: Ralf M. Haassengier
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