Visión general y aplicaciones

El corte de materiales supone uno de los procesos con mayor volumen de producción y que mayor casuística en cuanto a tipos de aplicaciones puede presentar. Cuando se hace referencia al proceso de corte de materiales en realidad se agrupa un conjunto de técnicas muy diferentes, donde se incluye el corte de diferentes aleaciones metálicas, materiales abrasivos, polímeros, composites, etc. y con espesores desde las décimas de milímetro hasta más de un metro. Así, existen distintas técnicas que se pueden aplicar a un rango de materiales y espesores muy variables, y en otras muchas ocasiones son técnicas específicas para un caso concreto y que resuelven una problemática determinada.

Procesos de corte: virtudes y limitaciones
Los procesos de corte más extendidos y conocidos son aquellos que se utilizan para cortar aleaciones metálicas de uso común (acero, aluminio, acero inoxidable,…) en un rango de espesores desde 0.5 mm hasta 20 mm. Dentro de este grupo se encuentra el proceso de punzonado y el corte láser. Para el caso de espesores elevados (por encima de 25 mm) existen otras técnicas como el corte por plasma o corte por chorro de agua abrasivo. Por último, para el caso de corte de grandes espesores de metal con pocas restricciones de acabado se utiliza la técnica de oxicorte.
Describiendo resumidamente cada una de estas técnicas, una de las más extendidas en la industria es el punzonado. Esta técnica se basa en la cizalladura de la chapa mediante un útil compuesto por un punzón, un pisador y una matriz. La principal ventaja que introduce es la posibilidad de realizar un gran número de cortes por minuto, siendo uno de los procesos de corte más productivos. La principal limitación que plantea esta técnica es el espesor de la chapa, el cual está limitado a 10 mm como máximo, aunque en la práctica no se suelen cortar chapas por encima de los 2 mm. La otra limitación es que la geometría del corte resultante reproduce la forma del punzón, por lo que la forma final del corte tiene que ser una combinación de los punzones disponibles. Para solventar este problema, las máquinas punzonadoras contienen almacenes de más de 20 posiciones, las cuales a su vez pueden albergar punzones múltiples de hasta 10 posiciones cada uno. De esta forma se pueden utilizar más de 200 punzones de tamaños y geometrías diferentes. En cuanto a la calidad del corte, dado que se trata de un proceso mecánico no existe zona afectada térmicamente, sin embargo el corte con útiles desgastados o en materiales de baja calidad provoca cortes con rebabas y deformaciones en las zonas adyacentes al corte.
Para el corte de geometrías más complejas o perfiles que no se adapten sistemáticamente a la forma de los punzones, la alternativa es el empleo del corte por láser. En la actualidad, el corte por láser es un proceso industrial ya consolidado y que se ha utilizado principalmente para trabajos de calderería y recortes de chapa. Es un proceso que implica muy poca eliminación de material, disminuye la distorsión de las piezas cortadas y anula el problema del desgaste de utillajes convencionales como cizallas o punzones ya que no existe contacto alguno. Además, permite el corte de cualquier geometría mediante programación de una trayectoria en un CNC, la cual se puede realizar por cualquier método de programación (teaching, CAM, manual...). Esto hace que el láser sea una solución idónea para los casos que sea necesario recortar chapas de forma compleja o para el caso de corte 3D. La alternativa sería disponer de gran cantidad de útiles de punzonado para adaptarse a la forma completa del corte, lo que resulta completamente imposible en la práctica.
Tradicionalmente el corte por láser se ha empleado, junto con el punzonado, para el corte de aceros de bajo contenido en carbono. Así, la industria de la automoción ha incorporado el proceso de corte láser para recortar las chapas de partida que posteriormente serán conformadas. Este proceso se emplea fundamentalmente en las preseries de las piezas, cuando todavía no se ha diseñado el conjunto completo de utillajes definitivo que realizará todas las operaciones de corte y conformado. También se utiliza en series cortas de piezas donde la inversión en útiles de corte puede no ser rentable. Por otro lado, el empleo del corte por láser se está generalizado a materiales no metálicos tales como polímeros o materiales compuestos, mientras que el corte de materiales cerámicos está todavía en fase de desarrollo.
A pesar de que cada vez se alcanzan cortes de espesores mayores debido al aumento de potencia y calidad de los haces láser, existe un límite a partir del cual el láser puede ser ineficaz. En concreto, en la actualidad se establece una barrera en cortes de 20 mm de espesor en acero, siendo este valor menor para otros materiales. Cuando las circunstancias requieren el corte de espesores mayores, se recurre a otros métodos como son el corte por plasma o el oxicorte.
El corte por arco de plasma se basa en ionizar un gas que pasa a través de una boquilla, generando así energía suficiente para fundir o vaporizar el material que se desea cortar. Se trata de un método que aporta más calor que el láser, pero sobre un área mayor, por lo que las piezas cortadas mediante este método presentan zonas afectadas por el calor más grandes y la calidad del corte no es comparable a la obtenida con corte láser. Por el contrario, los equipos de corte por plasma son entre 20 y 50 veces más baratos que los láseres equivalentes. Durante los últimos años, los equipos de corte por plasma han sufrido un fuerte desarrollo, hacia los equipos de Plasma de Alta Definición. El objetivo es generar un arco de plasma capaz de concentrar más energía en una zona más pequeña, por lo que se aumenta la calidad del corte en gran medida y se reduce la zona afectada por el calor.
Por último, para el caso de corte de grandes espesores, se puede emplear el proceso de corte por agua. La principal ventaja de este método es que utiliza un chorro de agua de pequeño diámetro (hasta 10 µm de diámetro) y alta presión (más de 400 MPa) que erosiona el material hasta que se produce el corte completo. De esta forma es un proceso que no produce ningún daño térmico sobre la superficie ni provoca humos o contaminación sobre la pieza cortada. Existen dos variantes de este proceso: el corte por agua a presión (Waterjet Cutting o WJC) o el corte por agua con abrasivo (Abrasive Waterjet Cutting o AWC).
La primera variante del proceso se utiliza fundamentalmente para el corte de materiales dúctiles no metálicos como plásticos, cuero, tela, cartón, papel, etc. Dado que no existe contacto ni contaminación de ningún tipo, se aplica de forma extensiva en la industria de alimentación.
Por el contrario, el proceso de corte por agua por abrasivo introduce granos de material abrasivo en la corriente de agua que sale a una velocidad de unos 900 m/s. El chorro de agua arrastra a las partículas abrasivas que arrancan el material mediante erosión mecánica. Estas partículas abrasivas suelen ser distintos tipos de silicatos, carburo de silicio o sílice y los tamaños de grano varían según la aplicación. Dada la velocidad del chorro y para evitar un desgaste rápido, la tobera por donde se guía el chorro de agua suele ser de zafiro o cerámica de alta pureza.
La principal ventaja de este proceso es que puede cortar cualquier material, incluyendo materiales no metálicos como la piedra o mármol, aunque también se utiliza para cortar piezas metálicas de grandes espesores sin ningún tipo de daño térmico.
A modo de resumen, se presenta una tabla comparativa de los diferentes procesos de corte y de las principales características de cada uno de ellos.
De entre todos los procesos comentados, el corte por chorro de agua y el corte láser son dos procesos que han sufrido un crecimiento considerable. Así, en los siguientes apartados se ha tratado de recoger los parámetros y aspectos fundamentales de ambos procesos y las principales tendencias que están experimentando.

Corte por láser: principales parámetros de proceso
El corte por láser es un proceso donde la base es calentar el material hasta su temperatura de fusión o vaporización. Este calentamiento se consigue mediante la focalización del haz láser en la superficie de la pieza, por lo que se consigue una gran cantidad de energía en un punto muy pequeño. Este hecho permite que, sin disponer de energías de radiación demasiado altas, se puedan cortar casi todo tipo de materiales.
Tal y como se comentará más adelante, existen diferentes resonadores láser dependiendo del tipo de medio activo y fuente de excitación que emplean. En operaciones de corte, el 100% de los láseres que se utilizan son de CO2 o de Nd:YAG. El empleo de uno u otro tipo de resonadores introduce fuertes variaciones en cuanto a la máquina, que serán comentados más adelante, pero también introducen cambios en el propio proceso.
De los dos tipos, los que más se emplean en corte son los de CO2, debido a que presentan una relación W/€ más alta y gran calidad de haz a altas potencias, lo que permite trabajar con tamaños de haz inferiores a 0.2 mm de diámetro. El principal problema que plantean los láseres de CO2 es que la longitud de onda del haz emitido es de 10,7 m. Esta longitud de onda no se puede transportar mediante fibra óptica y además se absorbe peor que la generada por otros tipos de láser como los de Nd-YAG, que emiten en una longitud de onda de 1.07m. Sin embargo, el acero presenta niveles de absorción aceptables para el haz generado por CO2. Este hecho, combinado con la mayor potencia y menor coste de estos equipos, hace que su empleo en la industria esté mucho más extendido para el corte. No obstante, para el corte de otros materiales como aluminio, cobre, plásticos, etc. se emplean soluciones basadas en cabezales de Nd-YAG.
Una vez generado el haz, independientemente del tipo de resonador, un sistema de lentes focaliza el haz en un punto cuyo tamaño es inferior a 0.2 mm de diámetro. Esta focalización del haz permite alcanzar densidades de energía elevadas, siendo un valor típico del orden de 1.4•1010 W/m2.
Al mismo tiempo, se inyecta un gas coaxial al haz de luz polarizada que constituye el rayo láser. Este gas es independiente del gas que podría tener el medio activo y es de suma importancia ya que una de sus principales funciones es evacuar el material fundido y/o vaporizado fuera de la zona de corte. Además, este gas tiene una doble función, dependiendo del material que se está cortando: