Cómo se calibra el láser y su óptica en una impresora 3D de metal

Calibrar el láser de una máquina LPBF no es una operación, son cuatro comprobaciones distintas que se descalibran por causas distintas y dan defectos distintos: la potencia que sale de verdad, dónde está el foco, si la geometría del campo de barrido es fiel, y —en máquinas de varios láseres— si todos coinciden en el mismo sitio. Cada una tiene su síntoma, y reconocer el síntoma ahorra semanas de tocar parámetros a ciegas.

1. La potencia real

Qué se comprueba. Que cuando pides 300 W lleguen 300 W al plano de trabajo, no a la salida de la fibra. Entre una cosa y la otra hay lentes, espejos y una ventana de protección, y todos absorben algo.

Con qué. Un medidor de potencia térmico colocado en el plano de la plataforma. Se barre el rango de trabajo —al 20, 50, 80 y 100 % de consigna— y se levanta la curva de consigna contra potencia entregada.

Por qué se va. Casi siempre por la ventana de protección: se ensucia con condensados del proceso y absorbe cada vez más. También por deriva del propio diodo con las horas, y por la degradación de los recubrimientos de los espejos.

Qué defecto da. Falta de fusión progresiva. Piezas que salían bien y empiezan a salir porosas sin haber cambiado nada, con el poro irregular y alargado característico de energía insuficiente. Es engañoso porque llega poco a poco.

2. La posición del foco

Qué se comprueba. Que el punto más estrecho del haz esté exactamente en el plano donde se extiende el polvo. Si el foco está por encima o por debajo, el punto que llega al lecho es más ancho y la densidad de energía cae, aunque la potencia sea correcta.

Con qué. Lo habitual es una rampa de foco: se fabrica una serie de líneas sobre una placa metálica variando la posición del foco unas décimas de milímetro en cada una, y se mide después cuál dio la línea más estrecha y definida. Los equipos con analizador de haz lo miden directamente.

Por qué se va. Dilatación térmica de la óptica al calentarse, cambios en el espesor de la ventana al sustituirla, y desplazamientos mecánicos del cabezal.

Qué defecto da. Contornos más gruesos de lo debido, cotas que se van en la misma dirección en toda la pieza, y peor acabado lateral. Si el desenfoque es grande, falta de fusión.

3. La geometría del campo de barrido

Esta es la más laboriosa y la que más problemas silenciosos causa.

Qué se comprueba. Que cuando el software pide un punto en la coordenada (100, 100) el haz caiga en (100, 100) real, y que eso valga en toda la superficie de trabajo, no solo en el centro.

Con qué. Se marca sobre una placa una retícula conocida —una matriz de puntos o de cruces repartida por todo el campo—, se mide con una máquina de medición o por visión, y se compara con el patrón teórico. La desviación de cada punto alimenta una tabla de corrección que el control aplica en tiempo real.

Por qué se va. Es intrínseca a la óptica: dos espejos que giran no proyectan una retícula perfecta, y la lente introduce su propia distorsión. Por eso no se elimina, se compensa. Se mueve además con la temperatura y al sustituir cualquier elemento óptico.

Qué defecto da. El síntoma inconfundible es una pieza correcta en el centro de la plataforma y fuera de tolerancia en las esquinas, con la desviación creciendo hacia el borde. También piezas que salen bien y dejan de salir cuando se colocan en otro sitio de la bandeja, que es la forma más frustrante de perder tiempo.

4. La coincidencia entre láseres

Solo aplica a máquinas multiláser, y es la razón por la que multiplicar láseres no multiplica la productividad sin más.

Qué se comprueba. Que dos láseres que tienen que coser la misma zona apunten al mismo sitio con error de pocas micras, y que el solape entre sus campos no deje ni un hueco ni un cordón doble.

Con qué. Marcas de referencia fabricadas por cada láser en la zona compartida y medidas después. Cada uno se corrige contra un origen común.

Qué defecto da. Una línea de debilidad en la costura, visible al corte, justo donde se encuentran los dos campos. En piezas con requisitos de fatiga es un problema serio, porque es un defecto plano y orientado.

Cada cuánto

No hay una respuesta universal, pero sí un criterio razonable:

Lo que no admite discusión es lo que hay que hacer antes de una construcción larga o cara: comprobar potencia y limpiar la ventana. Son veinte minutos frente a treinta horas de máquina.

La comprobación diaria que sí hace todo el mundo

Antes de lanzar, tres cosas que no son calibración pero evitan la mayoría de los descartes:

• La ventana de protección, limpia y sin marcas. Una mancha absorbe energía, se calienta y acaba rompiendo la ventana.
• La planitud del recubrimiento en la primera capa. Si la primera capa no queda uniforme, ninguna de las siguientes lo estará.
• El oxígeno de la cámara, por debajo de consigna y estable antes de empezar, no bajando todavía.

Qué preguntar a un fabricante

1. ¿Qué procedimientos de calibración puedo ejecutar yo, y cuáles exigen un técnico?
2. ¿La tabla de corrección del campo de barrido es accesible, o está cerrada dentro del control?
3. ¿Queda registro de cada calibración, con fecha y valores, exportable?
4. ¿La máquina avisa cuando una calibración caduca?
5. ¿Cuánto cuesta una intervención de calibración completa, y con qué plazo?

La segunda y la tercera son las que más dicen. Sin registro exportable no se puede cualificar nada, porque la calibración es justo una de las cosas que hay que congelar. Y una tabla de corrección cerrada significa depender del fabricante cada vez que se toque una lente.

Cómo lo vemos nosotros

La óptica, el control y el software de las ALBA son desarrollo propio, y eso tiene una consecuencia práctica en este asunto: los procedimientos de calibración se ejecutan desde SamyStudio, en la propia máquina, y el resultado queda registrado y se puede exportar. No hay una caja negra que solo abra un técnico con una contraseña.

No es una ventaja espectacular de folleto. Es de las que se notan el día que hay que demostrarle a un cliente por qué la pieza salió bien.

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Qué es exactamente lo que se está calibrando, en qué es un láser y por qué el de fibra funde metal. Los defectos que aparecen cuando algo de esto se ha ido, en porosidad y densidad. Y la diferencia entre vigilar el proceso y corregirlo, en control en lazo cerrado.