¿Qué es un láser y por qué el de fibra es el que funde metal?

Un láser es un dispositivo que emite luz con tres propiedades que la luz normal no tiene: es monocromática (un solo color, una sola longitud de onda), es coherente (todas las ondas van en fase) y es direccional (el haz apenas se abre al alejarse). De esas tres sale la única que de verdad importa aquí: se puede concentrar muchísima energía en un punto minúsculo. Ahí está todo lo demás.

Una bombilla de 500 W reparte su energía en todas las direcciones y en todos los colores. Un láser de 500 W la pone en un círculo de menos de cien micras. Eso son unos 6 megavatios por centímetro cuadrado; el acero se funde a esa densidad de potencia en microsegundos.

Cómo se produce esa luz

El nombre lo explica: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Amplificación de luz por emisión estimulada.

Hacen falta tres cosas.

Un medio activo: un material cuyos átomos pueden guardar energía subiendo un electrón a un nivel superior. Una fuente de bombeo que meta esa energía, normalmente otros diodos láser. Y una cavidad óptica, dos espejos entre los que la luz rebota atravesando el medio muchas veces.

El fenómeno clave es la emisión estimulada. Un átomo excitado, si le pasa cerca un fotón de la energía justa, suelta el suyo idéntico: misma dirección, misma fase, misma longitud de onda. Ese fotón provoca dos más, esos cuatro, y así. Por eso la luz sale coherente: no es que se ordene después, es que nace copiada.

Por qué de fibra

En una máquina LPBF el medio activo es el núcleo de una fibra óptica dopado con iterbio, una tierra rara. La fibra mide varios metros y va enrollada dentro de la caja. Los diodos de bombeo inyectan luz a lo largo de todo ese recorrido.

Esa geometría —muy larga y muy fina— resuelve de golpe los dos problemas de los láseres anteriores:

• Evacua el calor sola. La superficie de la fibra es enorme comparada con su volumen, así que el calor sobrante se va sin refrigeración exótica. Un láser de estado sólido clásico tiene una barra gruesa que se calienta por dentro y se deforma ópticamente.
• El haz sale ya guiado. La propia fibra impone la forma del haz. No hay que alinear espejos: se obtiene una calidad de haz altísima y estable durante años.

A eso se suma un rendimiento eléctrico del orden del 30 %, frente al 2-3 % de un láser de CO₂, y una vida útil de decenas de miles de horas sin mantenimiento óptico. Por eso el láser de fibra se comió el sector: no porque sea más potente, sino porque es el único que aguanta funcionando ocho mil horas al año sin que nadie lo toque.

Los cuatro números que definen un láser

En fusión de lecho de polvo se trabaja casi siempre en continuo, con potencia modulada. Lo que se ajusta durante la construcción no es la existencia del pulso, sino la potencia instantánea y la velocidad a la que el punto se desplaza. La combinación de las dos es la densidad de energía lineal, y es el parámetro del que cuelga la calidad de la pieza.

Por qué al cobre le costaba tanto

Aquí la longitud de onda deja de ser un dato de catálogo y se convierte en el problema.

Un metal absorbe una fracción de la luz que le llega y refleja el resto, y esa fracción depende del color de la luz. A 1080 nm, el infrarrojo cercano de un láser de iterbio, el acero absorbe una parte razonable. El cobre pulido refleja casi todo. Encima conduce el calor extraordinariamente bien, así que lo poco que entra se marcha antes de fundir nada.

Dos salidas, y las dos se usan:

• Cambiar el color. Un láser verde, en torno a 515 nm, lo absorbe el cobre muchísimo mejor. Es la solución elegante y es cara.
• Cambiar la aleación. El GRCop-42 o el CuCrZr conservan buena parte de la conductividad y se procesan mucho mejor que el cobre puro. Es la vía que ha llevado el cobre a producción real.

Hay un matiz que ayuda: en cuanto el metal se funde, su reflectividad cae. La dificultad está en arrancar, no en mantener.

Del láser a la pieza: la óptica

El haz sale de la fibra y todavía tiene que llegar al sitio correcto del lecho de polvo, a metros por segundo y con precisión de micras. De eso se encarga el cabezal galvanométrico: dos espejos ligerísimos montados sobre motores de imán móvil que giran unos pocos grados, uno para cada eje.

Detrás hay una lente que hace el trabajo difícil. Si el haz se desvía con dos espejos y se enfoca con una lente normal, el foco cae sobre una superficie curva: nítido en el centro y desenfocado en los bordes. Se resuelve de dos maneras. Con una lente F-theta, diseñada para que el plano focal sea plano y el desplazamiento sea proporcional al ángulo. O con un expansor de haz motorizado delante de los espejos, que corrige el foco dinámicamente en función de dónde apunte.

Ese conjunto es el que hay que calibrar, y es donde se decide si una pieza sale con la cota en el centro de la bandeja y fuera de tolerancia en la esquina.

Seguridad, en una línea

Un haz de 500 W a 1080 nm es invisible y destruye una retina antes de que dé tiempo a parpadear. Por eso la cámara de una máquina LPBF es un recinto cerrado con enclavamientos y ventanas filtrantes, y por eso nadie abre nada mientras el láser puede emitir. No es burocracia: es la razón por la que estas máquinas se certifican como clase 1 pese a llevar dentro una fuente de clase 4.

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Cómo se comprueba y se ajusta ese conjunto óptico, en cómo se calibra el láser y su óptica. El proceso completo del que forma parte, en qué es una impresora 3D de metal. Y qué metales absorben bien y cuáles no, en qué materiales se pueden imprimir en metal.

Y qué fuente monta cada equipo, con su potencia y su óptica, en las fichas de ALBA 300 y ALBA 500.