HISTORIA | 60 años de láser: Una solución para tantos problemas (Parte 1)

HISTORIA | 60 Años de Láser (1/2) - El láser fue inventado hace 60 años en 1960. Con motivo de su 60 aniversario, periodistas y expertos de la industria cuentan el impacto que la tecnología láser tuvo en Alemania y evalúan su futuro.

El 6 de mayo de 1964, el New York Times publicó una entrevista con Theodor Maiman, el hombre que había construido el primer láser en mayo de 1960. 60 años después sabemos cuántos problemas resolvió su invento. Sin los láseres, no tendríamos Internet, ni computadoras, ni secuenciación de genes, por nombrar sólo algunas aplicaciones importantes. Pero tomó 60 años y muchas mentes brillantes alrededor del mundo para conseguir todos estos problemas resueltos con los láseres.

Por Nikolaus Fecht (Dipl.-Ing. en Deutsche Presse-Agentur) y el Dr. Andreas Thoss (Director General de THOSS Media GmbH)

Todo comenzó en mayo de 1960, con un punto rojo brillante. En un laboratorio de Malibú, el físico e ingeniero eléctrico Dr. Theodore H. Maiman experimentaba con un rubí sintético de varios centímetros de longitud. Este cristal en forma de varilla tenía un espejo de plata en cada extremo y estaba rodeado por una lámpara de xenón helicoidal. La intensa luz de esta lámpara hacía que la varilla brillara de color rosa, y en términos físicos, excitaba los átomos del cristal. Un pulso de luz rebotaba y palpitaba entre los espejos y dejaba el rubí rosado como un rayo de luz rojo brillante. Fue el primer rayo láser documentado oficialmente

¿Rayos de la muerte?

En sus memorias, How the Laser Happened, el premio Nobel Charles Townes, otro pionero del láser, relata cómo la imaginación de los militares fue disparada desde el principio por el potencial destructivo del láser. Se hablaba de rayos mortales y de derribar cohetes en el espacio. Su cuñado y co-inventor, Arthur Schawlow, alentó esta idea demostrando en público cómo un láser podía ser utilizado para derribar globos de fiesta

Tales ideas llevaron rápidamente a una expansión masiva de la investigación y el desarrollo, tanto en el Este como en el Oeste. Los EE.UU. pensaron que el láser podría ser "el mayor avance en el área de las armas desde la bomba atómica" e invirtieron millones de dólares en investigación a partir de 1960. En Alemania, los presupuestos eran mucho más reducidos, pero también aquí el Ministerio Federal de Defensa pronto contó con el apoyo de la industria, en forma de empresas como Leitz y Telefunken. Sin embargo, pronto se hizo evidente que el uso principal del láser estaba en las áreas de medición y topografía. El desarrollo de los "rayos de la muerte" para derribar cohetes nunca pasó de la fase de prueba.

Entre los primeros en llegar a la mesa estaban, por supuesto, las empresas establecidas de la industria óptica. A principios de los años 60, tanto Carl Zeiss de Oberkochen en la antigua Alemania Occidental como VEB Carl Zeiss de Jena en la antigua Alemania Oriental, iniciaron actividades de desarrollo, en parte a su cargo. En 1962, el primer láser estaba en funcionamiento en Oberkochen, la VEB Carl Zeiss presentó un primer modelo de laboratorio de un telémetro basado en láser en 1965.

El trabajo en proyectos militares pronto se vio flanqueado por aplicaciones civiles, sobre todo en Alemania. Ya a mediados del decenio de 1960, la Academia de Arquitectura de la antigua República Democrática Alemana (Bauakademie der DDR) había introducido el uso de los láseres de construcción -unos 20 en total- con el fin de realizar mediciones y levantamientos topográficos de alta precisión en la construcción de, por ejemplo, torres de televisión

Placas de dibujo de diamantes perforadas con láser

Zeiss en Oberkochen desarrolló láseres de estado sólido de conmutación q con una potencia de salida máxima en el rango de los megavatios. Aunque no eran adecuados para el procesamiento de materiales, eran más que adecuados para fines de medición y estudio.

Por una casualidad del destino, fue un ingeniero de precisión quien preparó el camino para la primera aplicación industrial. El Dr. Paul Seiler, entonces un joven ingeniero de laboratorio, recibió la mano libre del Dr. Siegfried Panzer, jefe del laboratorio de alta frecuencia, para trabajar en la tecnología láser. Seiler, que ahora tiene 82 años, recuerda:

"Después de experimentos exploratorios con la óptica del microscopio, construimos un dispositivo de laboratorio. Estábamos en un territorio inexplorado - no sólo la tecnología láser era nueva, sino también la óptica y la fuente de alimentación con descarga de condensador."

Pero el trabajo valió la pena, ya que Zeiss pudo vender el dispositivo de laboratorio a, por ejemplo, el fabricante de bombillas de luz Osram, que lo utilizó para perforar placas de dibujo de diamantes

La soldadura láser reemplaza el proceso de unión tradicional

Para Seiler, el paso decisivo vino con otro cliente, CARL Haas de Schramberg en el suroeste de Alemania. El especialista en ingeniería de precisión buscaba un proceso de soldadura con el que sujetar el muelle de pelo a la rueda de equilibrio en los relojes mecánicos. Seiler desarrolló un sistema de laboratorio que funcionó tan bien en las pruebas de soldadura que Haas le ofreció un trabajo. Eso fue en 1971.

Seiler sintió que estaba arando un surco solitario en Zeiss, por lo que se trasladó a Haas en Schramberg, donde él y un pequeño equipo desarrollaron un láser de estado sólido adecuado para fines industriales. Este láser reemplazó el proceso de pegado tradicional para la fijación de los resortes de pelo, que llevaba diez veces más tiempo. El último avance para Seiler y su equipo siguió a finales de la década de 1970 cuando la tecnología láser allanó el camino para la producción automatizada de piezas soldadas para tubos de rayos catódicos en el recientemente desarrollado televisor a color. Más tarde Seiler fue nombrado director gerente de la entonces independiente empresa Haas Laser GmbH, que pasó a formar parte del Grupo TRUMPF en 1992

Láseres de gas contra láseres de estado sólido

En TRUMPF la tecnología láser era el centro de atención de un joven directivo, Berthold Leibinger. Inicialmente ingeniero de diseño en TRUMPF y luego, a partir de 1966, director técnico - voló a los EE.UU. en 1978 y visitó varios fabricantes de láser. Nada de lo que vio era adecuado para fines industriales, pero compró su primer láser de CO2. Al final de un año de intenso trabajo de desarrollo, presentó su primera máquina de corte por láser industrial.

Los ingenieros estaban intrigados por las diferencias entre los láseres de gas y los de estado sólido, explica Christian Schmitz, director ejecutivo de tecnología láser en TRUMPF:

"El láser de CO2 fue en realidad el primer láser capaz de entregar una alta potencia de salida en operación de onda continua mientras que el láser de estado sólido tenía una alta potencia de salida en operación de pulso, lo que lo hacía ideal para aplicar soldaduras por puntos en componentes electrónicos"

Pero durante los próximos 20 años, el corte y la soldadura de piezas de chapa metálica seguiría siendo el coto privado del láser de CO2. Sólo a principios del nuevo siglo, con el desarrollo de los cada vez más eficientes láseres de diodo, la tecnología de estado sólido tuvo su avance.

Luz a medida con un amplio rango de longitudes de onda

La década de 1980 trajo una nueva generación de científicos y una serie de nuevos institutos de investigación. Uno de estos próximos investigadores fue Reinhart Poprawe. Inspirado por una gira por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, continuó estudiando y completando un doctorado con el profesor Gerd Herziger en la Universidad Técnica de Darmstadt. En 1985, él y Herziger fundaron el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT en Aquisgrán. En ese momento, Poprawe era director gerente de Thyssen Laser Technik GmbH, que se estaba haciendo un nombre con el desarrollo de las primeras máquinas de corte por láser a escala industrial para chapas gruesas y la siguiente generación de chapas a medida para la industria automotriz. Después de un par de años más, sin embargo, pasó a ser director de Fraunhofer ILT

En el Instituto Fraunhofer ILT, Poprawe pudo ser testigo de cómo la tecnología láser, en cada nueva variación, se estableció progresivamente en la industria manufacturera. Mirando hacia atrás, señala algunos aspectos destacados: el desarrollo del láser de pulso ultracorto, del láser InnoSlab y, por último, pero no menos importante, del concepto de "luz a medida", tecnología láser que proporciona luz perfectamente adaptada a las aplicaciones individuales

Fabricación de aditivos: El largo camino hacia la aplicación industrial

Después de la euforia de los primeros años, la tecnología láser tuvo que demostrar que podía superar los procesos convencionales en cuanto a calidad y coste. El advenimiento de la fabricación aditiva de piezas metálicas ofrece un buen ejemplo de cómo las tecnologías rivales lucharon por la supremacía. Según Schmitz, TRUMPF "participó en la invención" de esta tecnología. Fue en 2004/05 cuando TRUMPF lanzó sus primeras máquinas de deposición de metal por láser (LMD). Schmitz recuerda:

"Alrededor de la misma época, sin embargo, las primeras fresadoras de cinco ejes realmente rápidas salieron al mercado. Y con la fabricación aditiva, las piezas siempre necesitaban un poco de acabado. Así que la gente pensó que era mejor fresarlas a partir de una sola pieza de material."

Mientras continuaba el desarrollo del LMD, TRUMPF suspendió su trabajo sobre la fusión de metales por láser (LMF). La producción de la Trumaform, la primera máquina LMF de TRUMPF, se interrumpió y sólo se reinició de nuevo en 2013/14, en colaboración con la empresa italiana Sisma.

Entonces se desarrolló una nueva idea en Aquisgrán que cambiaría las cosas: la deposición extrema de material por láser de alta velocidad, un proceso también conocido con el acrónimo alemán EHLA. Fue desarrollado y patentado en el Fraunhofer ILT en cooperación con la Cátedra de Producción de Aditivos Digitales (DAP) de la Universidad RWTH de Aachen. Esto aumentó las velocidades de deposición de 2 metros, como máximo, a varios cientos de metros por minuto. Tras una estrecha colaboración con la empresa de ingeniería holandesa Hornet Laser Cladding y con ACunity, una empresa derivada de la Fraunhofer ILT, la tecnología del EHLA se puso en marcha para la producción industrial en todo el mundo. El pionero del láser TRUMPF también quedó impresionado por las rápidas velocidades de recubrimiento que permite la tecnología EHLA y en 2017 inició la producción de su exitosa gama de máquinas TruLaser Cell EHLA para el procesamiento de componentes de diferentes tamaños. Actualmente, la idea se está extendiendo a los procesos reales en 3D.

Después de 20 años de altibajos, los procesos de fabricación de aditivos basados en láser han logrado finalmente el avance del mercado.