Mercados sin explotar para la fotónica: la comunidad de la tecnología láser se reúne de nuevo en Aquisgrán

El Congreso Láser

Con 525 participantes y 80 ponentes de 21 países, una exposición paralela al congreso con aforo completo y 60 demostraciones de "Tecnología láser en directo" en los laboratorios del Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT y la Universidad RWTH de Aquisgrán, el "AKL - Congreso Internacional de Tecnología Láser" confirmó plenamente su reputación de foro líder de la industria europea del láser. La atención se centró en las innovaciones para aplicaciones láser consolidadas, así como en los mercados potenciales de miles de millones de euros del futuro, como la ciberfotónica, las tecnologías cuánticas y la energía de fusión inercial encendida por láser (IFE).

Hubo varios actos paralelos al congreso, como los foros "Superficies funcionales mediante procesamiento láser", "Digitalización e IA en la producción fotónica" y "Tecnología cuántica y fotónica", el Día de la Empresa Tecnológica TBT, la exposición, la cena con entrega del "Premio a la Innovación en Tecnología Láser", presentaciones de pósters y Laser Technology Live. Los temas de la conferencia fueron

• Sesión Gerd Herziger
• Fabricación aditiva
• Sistemas ópticos
• Fuentes de haz láser
• Tecnología médica
• Fuentes de haz láser
• Corte y unión
• Tecnología de superficies

Del gran número de presentaciones, pósters y demostraciones, a continuación se ofrece una visión general del tema principal "Procesos láser para el tratamiento de superficies funcionales".

La tecnología de superficies en el punto de mira

Tecnología láser en directo (Foto: Fraunhofer ILT, Aquisgrán)Los láseres son desde hace tiempo herramientas consolidadas para el tratamiento de superficies. AKL'24 abordó este campo de la tecnología en el foro "Superficies funcionales mediante procesamiento láser" y en la sesión "Tecnología de superficies", ofreciendo una visión en profundidad de diversas aplicaciones industriales innovadoras. El espectro abarcaba desde la funcionalización para mejorar las propiedades tribológicas hasta la producción de superconductores de alta temperatura para su uso en microelectrónica, tecnología aeroespacial y energías renovables, pasando por la producción de superficies autolimpiables y antirreflectantes mediante el estampado por interferencia directa de láser (DLIP) y el secado de electrodos de baterías con láseres de diodo de alta eficacia.

Modificación de superficies: amplia gama de aplicaciones

El Dr. Simon Britten de Laserline GmbH en Mülheim-Kärlich abordó este último tema en su presentación "Sistemas láser para el secado energéticamente eficiente de electrodos de baterías". El secado de los ánodos y cátodos recubiertos de material activo lleva mucho tiempo, requiere mucho espacio debido a las secciones del horno de secado de casi 100 metros de longitud y supone casi el 30% de la energía necesaria para la producción de células de batería. Los eficientes y potentes láseres de diodo pueden desplegar aquí todas sus ventajas: Si sustituyen a los procesos convencionales, el secado resulta entre un 20 % y un 30 % más barato y el espacio necesario y el tiempo de secado se reducen en casi dos tercios, al tiempo que se consume alrededor de un 30 % menos de energía. "Muchos otros procesos de secado también pueden realizarse con láser", explica el experto.

El Dr. Tim Kunze, director general de Fusion Bionic, de Dresde, presentó la modificación precisa de superficies mediante el estampado por interferencia directa de láser (DLIP). En este proceso se superponen varios rayos láser para crear superficies funcionales, desde revestimientos antirreflectantes y baldosas antideslizantes hasta superficies autolimpiables. En muchas aplicaciones, el proceso óptico puede sustituir al uso de productos químicos agresivos, así como a complejos procesos mecánicos o costosos revestimientos. Según Kunze, el tratamiento de módulos fotovoltaicos en particular alberga un gran potencial. Si se ensucian, el rendimiento energético disminuye considerablemente. La modificación constante de la superficie con DLIP podría aumentar el rendimiento de la energía solar en todo el mundo entre un cuatro y un siete por ciento, y reducir_{las emisiones de CO2} en más de 18 millones de toneladas. Además, los operadores de parques solares se librarían de la carga de limpiar los módulos, cuyo consumo de agua ocasiona elevados costes, especialmente en regiones secas y polvorientas.

Otras aplicaciones fueron presentadas por ASMPT Laser Separation International (ALSI), de Beuningen (Países Bajos), y 3D-Micromac, de Chemnitz (Alemania). Esta última presentó una aplicación en la producción de semiconductores, la llamada formación de contactos óhmicos asistida por láser y basada en el recocido láser. Este tratamiento reduce las pérdidas de energía en reguladores de conmutación y aumenta el rendimiento y la fiabilidad tanto a tensiones superiores a 700 voltios como en procesos de alta frecuencia y alta temperatura. ASMPT también utiliza láseres UV de impulsos ultracortos en la producción de semiconductores para preparar obleas para el corte en dados, es decir, la separación de chips, mediante un proceso de eliminación de material en dos etapas. Durante este proceso de ranurado por láser, el láser UV de pulsos de picosegundos traza diminutos límites en las zonas activas del chip a ambos lados. A esta "zanja" le sigue el ranurado propiamente dicho, es decir, la eliminación de material a alta potencia, como preparación para la separación de las virutas. En su presentación, Kees Biesheuvel utilizó imágenes microscópicas para demostrar de forma impresionante la precisión con la que el proceso láser UV-UKP cumple esta tarea en comparación con los láseres pulsados más largos de la gama de longitud de onda verde o infrarroja, y al mismo tiempo mejora las propiedades del material.

Enfoque en superficies funcionales

Premio a la innovación Tecnología láser 2024 en la Sala de la Coronación del Ayuntamiento de Aquisgrán El Dr.Stefan Janssen, de LG Electronics en Corea del Sur, habló sobre el "Procesado láser de materiales en el campo de los bienes de consumo electrónicos". Demostró cómo las tecnologías láser mejoran significativamente la calidad y la eficiencia de los procesos de producción de dispositivos microelectrónicos y pantallas. El equipo de 60 investigadores del Instituto de Investigación de la Producción (PRI) de LG Electronics dispone de 20 sistemas láser. Los sistemas de alto rendimiento alcanzan velocidades de procesamiento de hasta 4.600 orificios por segundo, con una precisión de posicionamiento de 3 µm y diámetros de orificio inferiores a 20 µm. Según Janssen, las velocidades de corte de más de 500 mm/s y un tamaño de viruta inferior a 20 µm son factibles para el corte a alta velocidad de vidrio ultrafino (UTG). Estos avances en el procesamiento de materiales no sólo mejoran el rendimiento del producto, sino que también dan lugar a dispositivos electrónicos más fiables, afirma Janssen. Esto es especialmente importante en un mercado en el que hay que convencer a los consumidores con productos duraderos y de alta calidad.

La tecnología de transferencia directa inducida por láser (LIFT) puede utilizarse para transferir capas muy finas y precisas de materiales a sustratos. Ara-Coatings GmbH & Co KG, de Nordhorn, utiliza esta tecnología para crear capas funcionales en aplicaciones electrónicas, ópticas y biomédicas. La combinación de la deposición física de vapor (PVD) y la tecnología láser se utiliza para transferir materiales con propiedades funcionales específicas de forma selectiva y sin vacío. Esto supone un considerable ahorro de costes, ya que los revestimientos pueden producirse de forma rápida, eficaz y sin necesidad de tratamientos previos o posteriores. El Dr. Ralph Domnick, experto de Ara Coatings, explicó que el proceso LIFT puede aplicarse a una amplia gama de materiales con propiedades diferentes en cuanto a estequiometría, estructura cristalina y conductividad eléctrica. Destacó su escalabilidad y flexibilidad. Por ejemplo, se pueden conseguir espesores de recubrimiento de entre 0,5 µm y 5 µm y pistas conductoras ultrafinas de sólo 12 µm de ancho. Además, la velocidad de recubrimiento es impresionante: a pesar de la precisión, se puede recubrir completamente una superficie de un metro cuadrado en sólo tres minutos.

Recubrimiento y reparación de superficies por láser

La aplicación selectiva de capas funcionales para modificar las propiedades superficiales de los componentes exactamente donde se requiere en la aplicación correspondiente, o también para reparar zonas desgastadas o dañadas, fue otro de los temas centrales de AKL'24. Ralph Delmdahl, director senior de marketing de productos de Coherent LaserSystems GmbH & Co. KG en Gotinga, dedicó su presentación a un innovador proceso láser para la producción en serie de cintas superconductoras de alta temperatura (HTS): la deposición por láser pulsado (PLD) permite aplicar películas finas cristalinas con una composición de material controlada con precisión. Para ello se dispone de una amplia gama de óxidos, nitruros, carburos, sulfuros, polímeros y materiales 2D. Pueden procesarse mediante PLD en monocapas micrométricas cuya densidad, morfología y otros parámetros pueden variarse mediante los ajustes del láser. Como láser se utilizan láseres de excímeros con una salida de alta energía en la gama de longitudes de onda ultravioleta. Según Delmdahl, las cintas HTS producidas mediante el proceso PLD se consideran un cambio de juego en aplicaciones como la fusión nuclear magnética en los reactores TOKAMAK.

La aplicación de materiales con láser no sólo se utiliza para recubrir, sino también para reparar. En AKL'24, el Dr. Johannes Finger, de IIC-AM GmbH, con sede en Aquisgrán, que forma parte del Grupo Makino, activo en todo el mundo, ofreció ejemplos de ello. En su presentación sobre "Deposición de material por láser a alta velocidad (HSLMD)", hizo hincapié en la alta velocidad de la deposición por láser de materiales en polvo, que va acompañada de un control eficaz del proceso y un alto aprovechamiento del material, así como una tensión térmica mínima en los componentes reparados. Este método es especialmente adecuado para aplicaciones en las que se requiere una alta calidad del material y un control preciso de las microestructuras. Entre otras cosas, mostró componentes multimaterial e insertos de reparación en impulsores y álabes de turbina. Makino desarrolló el proceso en colaboración con el Fraunhofer ILT, entre otros.

Reparación de componentes controlada digitalmente

El proceso de deposición directa de energía (DED), estrechamente relacionado con el anterior, fue el tema central de otras presentaciones de AKL sobre procesos de reparación basados en láser. Hiroyuki Nagasaka mostró productos y aplicaciones de Nikon en Japón bajo el título "La luz como ojos y como herramienta". La combinación de la deposición y eliminación precisas de material en 3D con procesos de medición tridimensionales integrados para la supervisión de la calidad en tiempo real permite reparar componentes complejos, como los álabes de turbina, con un alto aprovechamiento del material y producirlos mediante impresión 3D sin estructura de soporte con un retrabajo minimizado. Nikon confía, entre otras cosas, en la precisión de los procesos láser USP. Nagasaka aprovechó la AKL'24 para presentar la próxima generación de sistemas DED del Grupo.

El "Scan-Repair" de DMG MORI Ultrasonic Lasertec GmbH sigue un planteamiento similar. Los escáneres 3D miden los componentes desgastados o dañados, que se sujetan en un sistema de 5 ejes y se someten a un proceso de escaneado definido. Los datos obtenidos se comparan con los datos CAD de las piezas para determinar la necesidad de reparación y derivar inmediatamente la estrategia de reparación adecuada. Se utiliza un proceso DED en el que un láser de 3,5 kW funde por capas el polvo metálico que fluye de las boquillas sobre las zonas dañadas. Un sistema de cámaras registra las emisiones del baño fundido a efectos de control de calidad. La aplicación del láser va seguida de un tratamiento mecánico en el proceso híbrido para producir el contorno exacto del componente y la calidad de superficie requerida.

Reparación y reacondicionamiento por láser

La reparación y el reacondicionamiento de componentes desgastados y dañados es sostenible, conserva recursos y se considera un requisito previo importante para entrar en la economía circular. El Dr. Gentry Wood, de Apollo-Clad Laser Cladding en Edmonton (Canadá), explicó la tecnología de procesamiento láser propia de la empresa en su presentación "LMD para la fabricación, reparación y mejora de componentes complejos". Al principio, Apollo Clad atendía principalmente a la industria del petróleo y el gas. Sin embargo, cada vez son más los clientes del sector agrícola que solicitan reparaciones y revestimientos ultraduros. En su presentación de AKL, Wood informó sobre cómo la empresa consiguió resultados significativamente mejores para este grupo objetivo ajustando los parámetros del proceso al mecanizar carburo de tungsteno en una matriz Ni-Cr-B-Si. "Aunque la aleación modificada es menos dura, es más barata y el proceso de mecanizado es más rápido. También se reduce la tendencia al agrietamiento", explica Wood.

Josh Barras, del Centro Tecnológico TWI de Catcliffe (Reino Unido), expuso un argumento similar. Su presentación "Aplicaciones y casos prácticos de superficies funcionales mediante deposición de material por láser a velocidad extremadamente alta" hizo hincapié en las ventajas del proceso EHLA para los procesos de reparación. "La velocidad del proceso, ahora ampliamente establecido, ofrece ventajas económicas y lo hace interesante para muchas aplicaciones", explicó en su presentación.