Los láseres juegan un papel en muchos procesos de fabricación, desde soldar piezas de automóviles hasta fabricar componentes de motores con impresoras 3D. * Para controlar estas tareas, los fabricantes deben asegurarse de que sus láseres disparen a la potencia correcta.
Pero hasta la fecha, no ha habido forma de medir con precisión la potencia del láser durante el proceso de fabricación en tiempo real, mientras que los láseres están cortando o derritiendo objetos, por ejemplo. Sin esta información, algunos fabricantes pueden tener que gastar más tiempo y dinero evaluandosi sus piezas cumplen con las especificaciones de fabricación después de la producción.
Para abordar esta necesidad, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han estado desarrollando un sensor de potencia láser que podría integrarse en dispositivos de fabricación para mediciones en tiempo real. Presentan los resultados de su último prototipo en octubreNúmero 2018 de sensores IEEE .
El nuevo dispositivo funciona de manera similar a un sensor anterior hecho por el equipo, que usa presión de radiación, o la fuerza que la luz ejerce sobre un objeto. Pero a diferencia de su dispositivo anterior, un medidor de potencia de presión de radiación del tamaño de una caja de zapatosRPPM para láseres de ultra alta potencia de miles de vatios: el "espejo inteligente" del tamaño de un chip está diseñado para láseres de cientos de vatios, el rango típicamente utilizado para procesos de fabricación.
"Sigue siendo un medidor de potencia de presión de radiación, pero es mucho más pequeño y mucho más rápido", con 250 veces la velocidad de medición de su sensor más grande, dijo John Lehman de NIST. El espejo inteligente también es aproximadamente 40 veces más sensible que el RPPM.
Los tipos de procesos de fabricación que podrían utilizar esta nueva tecnología incluyen todo, desde aviones y automóviles hasta teléfonos celulares y dispositivos médicos. El espejo inteligente también podría integrarse en máquinas empleadas en la fabricación aditiva, un tipo de impresión 3D que construye una capa de objetospor capa, a menudo usando un láser para fundir los materiales que forman el objeto.
Algún día, dicen los investigadores, estos pequeños medidores podrían estar en cada máquina de fabricación de aditivos y en cada cabezal de soldadura láser.
"Esto pondría la alta precisión de las mediciones de potencia NIST directamente en manos de los operadores, proporcionando un control de calidad estandarizado en los sistemas basados en láser y ayudando a acelerar el proceso de calificación de piezas", lo que garantiza que los objetos fabricados cumplan con las especificaciones de ingeniería, dijoAlexandra B. Artusio-Glimpse de NIST.
Nuevo vs. Viejo
Las técnicas convencionales para medir la potencia del láser requieren un aparato que absorba toda la energía del haz como calor. Medir el cambio de temperatura permite a los investigadores calcular la potencia del láser.
El problema con este método tradicional es que si la medición requiere absorber toda la energía del rayo láser, entonces los fabricantes no pueden medir el rayo mientras realmente se está utilizando para algo.
La presión de radiación resuelve este problema. La luz no tiene masa, pero tiene impulso, lo que le permite producir una fuerza cuando golpea un objeto. Un rayo láser de 1 kilovatio kW tiene una fuerza pequeña pero notable - aproximadamenteel peso de un grano de arena
Al hacer brillar un rayo láser en una superficie reflectante y luego medir cuánto se mueve la superficie en respuesta a la presión de la luz, los investigadores pueden medir la fuerza del láser y, por lo tanto, su potencia y también usar la luz que rebotasuperficie directamente para trabajos de fabricación.
Cómo funciona
El RPPM anterior del equipo NIST, para haces de varios kW, funciona haciendo brillar el láser esencialmente en una balanza de laboratorio, que se deprime cuando la luz lo golpea. Pero ese dispositivo es demasiado grande para integrarse en cabezales de soldadura o impresoras 3D.Los investigadores también querían un sistema que fuera más sensible a las fuerzas significativamente más pequeñas utilizadas para los procesos de fabricación cotidianos.
En lugar de emplear una balanza de laboratorio, el nuevo "espejo inteligente" funciona esencialmente como un condensador, un dispositivo que almacena carga eléctrica. El sensor mide los cambios en la capacitancia entre dos placas cargadas, cada una del tamaño de medio dólar.
La placa superior está cubierta con un espejo altamente reflectante llamado reflector Bragg distribuido, que utiliza capas alternas de silicio y dióxido de silicio. ** La luz láser que golpea la placa superior imparte una fuerza que hace que esa placa se acerque a la placa inferior, que cambia la capacitancia, su capacidad de almacenar carga eléctrica. Cuanto mayor sea la potencia del láser, mayor será la fuerza sobre la placa superior.
La luz láser en el rango utilizado para la fabricación, en el rango de cientos de vatios, no es lo suficientemente potente como para mover la placa muy lejos. Eso significa que cualquier vibración física en la habitación podría hacer que la placa superior se mueva de alguna maneraque elimina la pequeña señal que está diseñada para medir.
Entonces, los investigadores del NIST hicieron que su sensor fuera insensible a la vibración. Tanto las placas superior como la inferior están unidas al dispositivo por resortes. Las influencias ambientales, como las vibraciones si alguien cierra una puerta en la habitación o pasa por la mesa, hacen que ambas placas se bloqueen.moverse en tándem, pero una fuerza que afecta solo a la placa superior hace que se mueva de forma independiente.
"Si el dispositivo se mueve o vibra físicamente, ambas placas se mueven juntas", dijo Lehman. "Entonces, la fuerza neta es estrictamente la presión de radiación, en lugar de cualquier influencia ambiental".
Con esta técnica en su lugar, el sensor puede realizar mediciones de potencia precisas y en tiempo real para láseres de cientos de vatios, con un nivel de ruido de fondo de solo 2.5 vatios.
"Estoy sorprendido de lo bien que funciona. Estoy realmente emocionado", dijo Lehman. "Si me dijeras hace dos años que haríamos esto, diría '¡de ninguna manera!"
En este momento, el sensor prototipo ha sido probado con una potencia láser de 250 vatios. Con más trabajo, ese rango probablemente se extenderá a aproximadamente 1 kW en el extremo superior y por debajo de 1 vatio en el extremo bajo. Lehman y sus colegas tambiéntrabajando para mejorar la sensibilidad y la estabilidad del dispositivo.
* La impresión 3D con metales generalmente se conoce como fabricación aditiva. La fabricación aditiva es útil para crear piezas que son difíciles de fabricar con la fabricación tradicional "sustractiva", que implica cortar las piezas del metal preformado.
** Un reflector Bragg distribuido funciona combinando de manera constructiva los reflejos de luz de cada una de las capas alternas de silicio y dióxido de silicio. Su reflectividad depende del espaciado y la disposición de las capas, que pueden ajustarse para maximizar la reflectividad en una longitud de onda particular.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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