{"id":83356,"date":"2007-04-01T00:00:00","date_gmt":"2007-04-01T00:00:00","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/2007\/04\/01\/laser-en-las-fabricas\/"},"modified":"2013-05-13T17:36:43","modified_gmt":"2013-05-13T20:36:43","slug":"laser-en-las-fabricas","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/laser-en-las-fabricas\/","title":{"rendered":"L\u00e1ser en las f\u00e1bricas"},"content":{"rendered":"
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MIGUEL BOYAYAN<\/span>Soldaduras con l\u00e1ser: la luz pasa por la lente y alcanza el conector encerrado en su protecci\u00f3nMIGUEL BOYAYAN<\/span><\/p><\/div>\n

En octubre del a\u00f1o pasado, la industria Tupy Fundi\u00e7\u00f5es, del estado de Santa Catarina, una de las mayores del segmento en Brasil, enfrentaba un gran desaf\u00edo. Para ejecutar un contrato millonario de provisi\u00f3n de autopartes para la ensambladora General Motors, en Estados Unidos, la empresa brasile\u00f1a necesitaba probar que era capaz de realizar fracturas inducidas por l\u00e1ser en estructuras de motores de autom\u00f3viles como las tapas de cojinetes. En el interior de esas estructuras va montado el cig\u00fce\u00f1al, eje que recibe la fuerza t\u00e9rmica de la explosi\u00f3n enviada por los pistones y transmite esa energ\u00eda en forma de fuerza mec\u00e1nica para las dem\u00e1s piezas del motor.<\/p>\n

Como no dominaba el proceso del l\u00e1ser, la empresa, radicada en la localidad de Joinville, procur\u00f3 a los ingenieros del Instituto de Estudios Avanzados (IEAv) del Comando General de Tecnolog\u00eda Aeroespacial (CTA), ubicado en la ciudad de S\u00e3o Jos\u00e9 dos Campos, en el interior paulista. Poco despu\u00e9s de un mes, los especialistas demostraron la viabilidad de realizar micro-ranuras l\u00e1ser guiadas mediante fibra \u00f3ptica en el bloque de hierro que puede ser fracturado, con seguridad y precisi\u00f3n, por medio de una fuerte presi\u00f3n ejercida por una cu\u00f1a hidr\u00e1ulica en el montaje de los motores.<\/p>\n

“El proceso l\u00e1ser separ\u00f3, en un cuerpo de prueba, la tapa de cojinete del bloque del motor en una \u00fanica operaci\u00f3n, reduciendo el n\u00famero de operaciones de remociones de material y los costos de fabricaci\u00f3n”, afirma Jos\u00e9 Cl\u00e1udio Macedo, director de operaciones de la Tupy. Con ello, la empresa prob\u00f3 la viabilidad del contrato y comenzar\u00e1 a proveer, a partir del 2009, 60 mil bloques por a\u00f1o para la montadora americana. El \u00e9xito de la operaci\u00f3n fue posible porque, adem\u00e1s del alto conocimiento de los investigadores del IEAv acerca de la tecnolog\u00eda l\u00e1ser y sus aplicaciones industriales, el instituto adquiri\u00f3 en 2006 una nueva estaci\u00f3n de procesamiento de materiales mediante l\u00e1ser de fibra \u00f3ptica de alta potencia. “Se trata de un equipamiento con propiedades superiores que las de los l\u00e1ser empleados tradicionalmente en los procesos industriales, como los de di\u00f3xido de carbono (CO2) y de neodimio-YAG (Nd:YAG) (ver cuadro en la p\u00e1gina 77). Aquellos resultaron muy \u00fatiles en ese proyecto y cuentan con una amplia aplicaci\u00f3n en operaciones de corte, soldadura y tratamientos t\u00e9rmicos de materiales”, dice el f\u00edsico Rudimar Riva, jefe del Laboratorio Multiusuario para Desarrollo de Aplicaciones de L\u00e1ser y \u00d3ptica (Dedalo) del IEAv. “La instalaci\u00f3n del equipamiento, \u00fanico en Am\u00e9rica Latina, contribuye para el desarrollo de nuevos procesos de fabricaci\u00f3n, aumentando el valor agregado de los productos nacionales y permitiendo la calificaci\u00f3n de recursos humanos en el \u00e1rea de procesamiento de l\u00e1ser”, dice Riva.<\/p>\n

Para la Tupy, el equipamiento surgi\u00f3 en el momento exacto. “Si no hubi\u00e9semos conseguido desarrollar este proceso, deber\u00edamos adquirirlo a las empresas alemanas, las \u00fanicas que dominan esta tecnolog\u00eda. Decidimos desarrollarlo en Brasil, en colaboraci\u00f3n con el IEAv, y ahora realizaremos un estudio de viabilidad econ\u00f3mica para implantarlo en nuestra f\u00e1brica”, dice Macedo. Todo el equipamiento montado, de los l\u00e1seres producidos y guiados mediante fibra \u00f3ptica tiene un costo cercano a los 500 mil d\u00f3lares.<\/p>\n

La primera diferencia en el equipamiento es la calidad del haz emitido, que posibilita un di\u00e1metro focal (\u00e1rea iluminada por el haz) menor, elevando la intensidad de la luz. “El aumento de la intensidad permite cortar o soldar materiales m\u00e1s gruesos con mayor rapidez y calidad. Como el di\u00e1metro focal es menor, se registra menor p\u00e9rdida de material durante el corte”, explica Riva. Otra caracter\u00edstica importante de esos l\u00e1seres es la mayor conversi\u00f3n de energ\u00eda el\u00e9ctrica en energ\u00eda lum\u00ednica. Por cada kilowatt de potencia consumido por la estaci\u00f3n, es posible extraer 250 watts de potencia lum\u00ednica, mientras que los l\u00e1seres de Nd:YAG convierten apenas 50 watts y los de CO2, como m\u00e1ximo, 200 vatios. La mejor eficiencia energ\u00e9tica muestra su reflejo positivo en la reducci\u00f3n del costo operacional.<\/p>\n

“Esas tres caracter\u00edsticas juntas \u2013 calidad superior del haz, mejor eficiencia energ\u00e9tica y reducci\u00f3n del costo de mantenimiento \u2013 tornan a los l\u00e1ser de fibra de alta potencia, extremadamente atractivos para aplicaciones en f\u00e1bricas”, dice el f\u00edsico Milton S\u00e9rgio Fernandes de Lima, investigador de Dedalo, responsable por varios proyectos que ata\u00f1en al equipamiento. “Los industriales han percibido esa ventajas y los l\u00e1ser de fibra est\u00e1n sustituyendo a los aparatos tradicionales, principalmente a los Nd:YAG”.<\/p>\n

Soldadura en Embraer
\n<\/strong>La instalaci\u00f3n de la estaci\u00f3n de tratamiento en Dedalo cost\u00f3 alrededor de 500 mil d\u00f3lares, y la mayor parte de esa erogaci\u00f3n (400 mil), fue provista por la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep), del Ministerio de Ciencia y Tecnolog\u00eda (MCT), y del Fondo sectorial Aeron\u00e1utico. El resto provino de las cajas del IEAv y del Instituto F\u00e1brica del Milenio (IFM), red virtual de investigaci\u00f3n enfocada en la industria de la manufactura de la cual el instituto forma parte (lea acerca del IFM en la edici\u00f3n n\u00ba 133 de Pesquisa FAPESP). La financiaci\u00f3n fue utilizada para la adquisici\u00f3n del equipo de l\u00e1ser a fibra \u00f3ptica y dem\u00e1s componentes del sistema, adem\u00e1s de la implantaci\u00f3n de una cabina met\u00e1lica a prueba de derrames con 4 metros de longitud por 4 de ancho y 3 de altura, que permite el ingreso de piezas de hasta 2 metros de ancho. El fabricante nacional de aviones Embraer tambi\u00e9n colabora con el proyecto, en la provisi\u00f3n de material y recursos humanos, y est\u00e1 siendo uno de los grandes beneficiados con las investigaciones realizadas con el equipamiento.<\/p>\n

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MIGUEL BOYAYAN<\/span>Potencia del l\u00e1ser: la estructura de un motor fracturada y micro poros en una pieza automotriz.MIGUEL BOYAYAN<\/span><\/p><\/div>\n

El inter\u00e9s de la Embraer en el laboratorio se explica f\u00e1cilmente. “Hoy en d\u00eda, la tecnolog\u00eda de soldadura l\u00e1ser se emplea cada vez m\u00e1s en la fabricaci\u00f3n de aeronaves, principalmente en la parte estructural, en sustituci\u00f3n del proceso de remachado”, dice Lima. Ese proceso utiliza los remaches, que son peque\u00f1as piezas cil\u00edndricas met\u00e1licas semejantes a tornillos, para unir dos placas met\u00e1licas. Un jet comercial de gran porte, como un Boeing 777, con capacidad para m\u00e1s de 300 pasajeros, posee alrededor de 1,5 millones de remaches que aumentan en el 15% el peso de su estructura, sumado a que el proceso de remachado consume el 15% del tiempo de fabricaci\u00f3n de la aeronave. Adem\u00e1s de eso, para realizar el remachado es preciso perforar el fuselaje, generando una especie de vulnerabilidad en el jet. “Como el avi\u00f3n opera bajo temperaturas extremas, de -50 \u00baC a 50 \u00baC, el fuselaje puede sufrir corrosi\u00f3n en funci\u00f3n del acumulamiento de hielo y agua en esas cavidades”, explica Lima. “Boeing, Airbus y Bombardier poseen acuerdos de cooperaci\u00f3n con centros de investigaci\u00f3n en l\u00e1ser y las dos primeras ya emplean esa tecnolog\u00eda en la fabricaci\u00f3n de sus aviones”.<\/p>\n

El IEAv posee dos proyectos en etapa de desarrollo con la Embraer. El principal de ellos es la soldadura de uniones de aluminio de alta resistencia, que son utilizadas en la estructura de las aeronaves. “Ensayamos un centenar de cuerpos de prueba de aluminio soldados con l\u00e1ser a fibra, que ahora est\u00e1n teste\u00e1ndose en la Embraer. Los resultados preliminares demuestran que el equipamiento produce soldaduras con excelente calidad metal\u00fargica y muy pocos detalles”, afirma Riva. El proyecto utiliza el l\u00e1ser Nd:YAG y posee como objetivo la soldadura sin utilizaci\u00f3n de plomo en los contactos el\u00e9ctricos de fijaci\u00f3n utilizado en los aviones. Ese proyecto es vital para Embraer porque varios pa\u00edses prohibieron en junio del a\u00f1o pasado, el ingreso de componentes el\u00e9ctricos y electr\u00f3nicos que contengan plomo y otras sustancias t\u00f3xicas o dif\u00edciles de reciclar. “Para solucionarlo moment\u00e1neamente, desarrollamos una tecnolog\u00eda que utiliza el l\u00e1ser de Nd:YAG como fuente de calor para soldadura sin plomo”, explica el investigador. “Los resultados muestran hasta ahora que los contactos soldados en apenas algunos segundos presentan alt\u00edsima resistencia a la fractura, nada comparables con los contactos crimpados (conectores para terminales de cables), realizados por medio de un alicate especial”.<\/p>\n

Centro de tecnolog\u00eda de avanzada
\n<\/strong>Instalado al borde de la carretera de los Tamoios, que une el Valle de Para\u00edba con el litoral norte paulista, el laboratorio del IEAv, creado hace s\u00f3lo tres a\u00f1os, tambi\u00e9n preparando otros dos modelos de l\u00e1ser, ambos proyectados y construidos en el instituto: un l\u00e1ser de CO2 pulsado de alta potencia y uno de vapor de cobre, adem\u00e1s de otros cinco l\u00e1ser de uso m\u00e1s com\u00fan, tres de Nd:YAG y dos de CO2 continuos. Los equipamientos sirven para varios proyectos en el \u00e1rea de manufacturas. Ese es el caso de un nuevo tratamiento l\u00e1ser para herramientas de fabricaci\u00f3n, que se origin\u00f3 en una necesidad industrial prevista dentro de la red del IFM y devino en el dep\u00f3sito de una patente al IEAv. “Se trata de un proceso innovador de texturizaci\u00f3n l\u00e1ser que aumenta el tiempo de vida \u00fatil de las brocas, fresas y otras herramientas de fabricaci\u00f3n”, destaca el ingeniero Jo\u00e3o Fernando Gomes de Oliveira, coordinador general del IFM.<\/p>\n

Durante el proceso, un haz de luz l\u00e1ser de pulsos cortos y alta energ\u00eda promueve la formaci\u00f3n de nanocr\u00e1teres en la superficie de la herramienta. Como ellas normalmente son recubiertas con un revestimiento en base a nitratos y carbonatos, el proceso permite una mayor adherencia de los revestimientos que quedan adheridos en los surcos. Una capa m\u00e1s adherente confiere mayor durabilidad a las herramientas \u2013 en algunos casos, la vida \u00fatil fue aumentada en diez veces. El proyecto utiliza el l\u00e1ser de vapor de cobre y fue desarrollado por el Dedalo en colaboraci\u00f3n con la Universidad Federal de Uberl\u00e2ndia y la Universidad Estadual de Campinas. Abarca tambi\u00e9n un pool de empresas interesadas en la tecnolog\u00eda, formado por la Tupy Fundiciones, Sandvik (especializada en la fabricaci\u00f3n de herramientas), Brasimet y Balzers (focalizadas en revestimientos y tratamientos de superficies).<\/p>\n

Otro proyecto relevante en el \u00e1rea de la metalurgia implica a la compa\u00f1\u00eda Thyssen Krupp Metal\u00fargica Campo Limpo, brazo paulista de un grupo multinacional que detenta el liderazgo mundial en la fabricaci\u00f3n de cig\u00fce\u00f1ales, ejes met\u00e1licos de los motores automotrices. El objetivo del proyecto es realizar la microtexturizaci\u00f3n l\u00e1ser en esos componentes para reducir la fricci\u00f3n entre las piezas con el consiguiente desgaste. “Pueden utilizarse diversos m\u00e9todos para realizar la microtexturizaci\u00f3n, tales como abrasi\u00f3n controlada, ca\u00f1\u00f3n de electrones o corrosi\u00f3n qu\u00edmica. La texturizaci\u00f3n con l\u00e1ser es una t\u00e9cnica reciente que ha presentado buenos resultados”, dice Lima.<\/p>\n

Fibras y cristales
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\nPara entender como funciona un l\u00e1ser, y las diferencias entre ellos, es preciso conocer que la generaci\u00f3n de un haz de luz se da, normalmente, por la excitaci\u00f3n de los \u00e1tomos o mol\u00e9culas de un determinado medio activo, compuesto por una o varias sustancias responsables por la emisi\u00f3n de radiaci\u00f3n l\u00e1ser, por una fuente luminosa o una descarga el\u00e9ctrica. Los l\u00e1seres de di\u00f3xido de carbono (CO2), por ejemplo, son excitados por descargas el\u00e9ctricas y poseen como medio activo una mezcla de gases: nitr\u00f3geno, helio y el CO2, responsable de la emisi\u00f3n del l\u00e1ser. En los l\u00e1seres de Nd:YAG, el medio activo es una barra de cristal de YAG, un cristal sint\u00e9tico constituido por \u00f3xido de \u00edtrio y de aluminio, dopado (inserci\u00f3n de peque\u00f1as cantidades de elementos qu\u00edmicos en una sustancia) con neodimio y excitado por una fuente luminosa de una l\u00e1mpara o de diodos emisores de l\u00e1ser, dispositivos similares y m\u00e1s potentes que los utilizados en reproductores de CD y DVDs.<\/p>\n

El l\u00e1ser de fibra \u00f3ptica posee como medio activo una fibra de s\u00edlica dopada con iterbio, un elemento del grupo de los metales raros. M\u00e1s de un centenar de diodos emisores de l\u00e1ser son utilizados como fuente de excitaci\u00f3n de la fibra.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Impulso industrial para la luz conducida por fibra \u00f3ptica","protected":false},"author":23,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[192],"tags":[],"coauthors":[116],"class_list":["post-83356","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-tecnologia-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/83356","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/23"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=83356"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/83356\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=83356"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=83356"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=83356"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=83356"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}