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Láseres, alumbrando la industria del futuro

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Láseres, alumbrando la industria del futuro

¿Qué rayos es un láser?

Los láseres son fuentes de luz artificial con propiedades extraordinarias, y su uso en diferentes campos de la actividad humana ha sido tan relevante y exitoso que es difícil encontrar un ejemplo de otro ingenio humano que haya tenido impacto tan grande, en tan poco tiempo, en muy diferentes sectores desde su invención a principios de la década de los 60 del pasado siglo.

Lo que distingue a los láseres de otros fuentes de luz, tanto naturales como artificiales, es lo que en óptica se denomina coherencia, propiedad que mide lo bien o mal que conserva una onda luminosa sus propiedades tanto temporales como espaciales. Los láseres son fuentes de luz de altísima coherencia, y esa característica les da dos de sus atributos más conocidos, el tender a emitir en un color bien definido (monocromaticidad) y el hacerlo en forma de un pincel luminoso que tiene una divergencia limitada al propagarse,  de ahí el término común de rayo con el que nos referimos a los láseres.

Por si esto fuera poco, desde finales del pasado siglo los avances conseguidos en optoelectrónica nos hacen disfrutar de una nueva característica de los láseres que promete expandir más aún su uso: el control del tiempo en que los láseres emiten la luz. Si hasta la década de los 90 disfrutábamos de láseres comerciales que podían emitir luz de forma continua o forma pulsada, con pulsos de hasta pocos nanosegundos de duración, la aparición de los llamados láseres ultrarrápidos en los que los pulsos de luz pueden durar hasta menos de un femtosegundo ha abierto puertas a campos completamente nuevos en ciencia y la tecnología, y por supuesto a nuevas aplicaciones.

Y para qué rayos sirve…

Más allá de sus propiedades, ha sido justamente en las aplicaciones donde esta herramienta ha brillado en todo su esplendor. Hoy en día el cómo nos comunicamos (sí, sin láseres no existirían las comunicaciones basadas en fibra, e Internet tal y como lo usamos seria impensable…); fabricamos y usamos productos (el teléfono que usas lleva en su fabricación más de 10 procesos láser); vivimos en entorno más seguros (la utilización de tecnología láser en defensa y seguridad es habitual desde su invención); tenemos acceso a energía más eficiente y barata (la fotovoltaica actual no hubiera conseguido el coste de mercado ni su eficiencia actual sin esta herramienta, y es una de las tecnologías que parece capaz de traernos la tan esperada energía de fusión a la humanidad); interrogamos y aprendemos de nuestro entorno (la espectroscopía láser o la citometría de flujo han cambiado áreas completas de la química analítica, la bioquímica, las ciencias ambientales o la ciencia de materiales) o cómo la medicina nos diagnostica y nos trata las enfermedades (hoy en día la diagnosis, prognosis y tratamiento de multitud de patalogías se hace utilizando láseres directa o indirectamente), es gracias a la aportación fundamental de esta herramienta.

¡Hazte industrial!

Sin duda uno de los sectores que más se han beneficiado de la misma han sido los procesos industriales de procesado de materiales. De todos es sabido que los láseres se usan para marcar, cortar o soldar, entre otras cosas. No es tan conocido que una de las primeras aplicaciones industriales de los láseres fue el taladrado. De hecho los pioneros de esta tecnología medían, ante la falta de detectores apropiados, la intensidad de los pulsos de sus láseres comprobando el número de hojas de afeitar que un solo pulso era capaz de atravesar, y median por tanto la potencia de los mismos en ¡Gillettes!, curiosa unidad de medida. Y más curioso aún es que fuera justo ese conocido fabricante de hojas de afeitar el que consiguiera años después una ventaja de mercado apabullante no taladrándolas, sino soldándolas por puntos con un láser a un bastidor, pudiendo meter más de una hoja debido a la limitada carga térmica que produce este proceso frente a otros procesos de unión. Resultado: mejor apurado y líder del mercado. Es solo uno de los innumerables ejemplos de uso completamente disruptivo de la tecnología láser en procesos de manufactura, y en la actualidad no hay sector industrial que no emplee láseres en fabricación, medida o control en sus procesos.

Por otra parte, la asociación del láser con los nuevos desarrollos en ciencia e ingeniería de materiales está llevando a fronteras nuevas tanto en el diseño de los mismos como en su funcionalización. Valga como ejemplo la modificación superficial de materiales con láseres ultrarrápidos, campo en el que las técnicas de micro/nanofabricación basadas en esta herramienta están consiguiendo materiales funcionales que tendrán un impacto enorme en un futuro cercano. Así  por ejemplo en el Centro Láser UPM trabajamos para conseguir efectos como el de control de mojabilidad del material a voluntad, pudiendo definir comportamiento superhidrofóbicos/superhidrofílicos en diferentes tipos de superficies; o en el control de luz inteligente mediante el micro/nanotexturizado de la superficie de materiales para su aplicación optolectrónica.

Láseres, impresión 3D y entornos Industria 4.0

Pero si en algún entorno los láseres han marcado el paso desde el principio, siendo su referente tecnológico, ha sido en los procesos de manufactura aditiva (o impresión 3D). Las bases, técnicas y protocolos de la inmensa mayoría de tecnologías de manufactura aditiva que usamos actualmente tienen su origen en al aparición de la técnica de fabricación de estereolitografía con láser en la década de los 80 del pasado siglo (sí, ese fichero de extensión .stl que usas en tu impresora 3D se llama así en referencia a la palabra STereoLitography). Es más, el estado del arte actual en procesos de manufactura aditiva lo define una técnica conocida como fundido selectivo con láser (SLS según sus siglas en inglés) que, mediante la irradiación local en un lecho de polvo del material seleccionado, permite la realización de los vóxeles que, en un proceso que implica reposicionamiento en cota de la fuente de luz y un rellenado de la capa de polvo, van definiendo la geometría 3D a fabricar. Por si esto fuera poco, la técnica aditiva que hoy en día presenta mayor resolución espacial (del orden de decenas de nanómetros) es un proceso de estereolitografia con láser que utiliza procesos multifotónicos en polímeros para generar vóxeles nanométricos. Sí, la nanomanufactura aditiva también se escribe con láser.

Además, no solo por ser  la herramienta por excelencia en fabricación 3D, sino también por ser una herramienta caracterizada por su flexibilidad, adaptación y precisión en entornos industriales, desde el mismo inicio de definición del concepto de Industria 4.0 los láseres han sido elegidos como la herramienta de fabricación óptima en los entornos de fabricación digital. Tanto es así que se empieza a utilizar el término inglés Digital Photonic Production para definir el conjunto de  estrategias de fabricación basadas en una herramienta óptima para su consideración en esos procesos digitales: la luz, y especialmente la luz láser por sus incomparables propiedades.

Y el viaje no ha hecho más que empezar. Por ejemplo la unión de las técnicas de manufactura aditiva con los avances en el campo biomédico de la ingeniería de tejido vivo, están empezando a abrir avances extraordinarios que revolucionarán a corto plazo el campo de la medicina regenerativa. De hecho la bioimpresión con láser, una de las líneas en las que el Centro Láser de la UPM desarrolla actualmente su actividad,  permite la impresión tridimensional de células vivas manteniéndolas intactas para desarrollar modelos in vivo e in vitro de aplicación en multitud de campos biomédicos. Un ejemplo más del poder de transformación y revolución tecnológica de esta maravillosa herramienta.

Para acabar una reflexión fácil. Nadie puede decir como será con exactitud el futuro, pero sin temor a equivocarnos, y desde luego en el corto plazo, la tecnología láser seguirá jugando un papel importante, cabría decir luminoso, en su definición.

Carlos Molpeceres es Catedrático en la ETSI Industriales de la UPM y Director del  Centro Láser de la misma universidad. Actualmente su actividad investigadora se centra en la aplicación de láseres de última generación al micro y nanoprocesado de materiales, fundamentalmente en los sectores de energía, electrónica flexible y biomedicina.