OPTIMIZACIÓN
DE PARÁMETROS DEL PROCESO
DE CORTE CON LÁSER PARA POLIMETILMETACRILATO Y POLICLORURO DE VINILO
Parameters
’optimization in cutting laser process for Polymethylmethacrylate and Polyvinyl
chloride
Otimização
de parâmetros do processo de corte com láser para Polimetilmetacrilato e
Policloruro de vinilo
Enrique Barreno-Avila1*
,
Edwin Moya-Moya1
, Alex Barreno-Avila 1
1
Faculty of
Mechanical Engineering / Technology and Transfer Center (CTT). Universidad
Técnica de Ambato. Ambato-Ecuador. [email protected], [email protected], [email protected]
Fecha de
recepción: 08 de agosto de 2020.
Fecha de
aceptación: 05 de noviembre de 2020.
RESUMEN
INTRODUCCIÓN. El corte láser es un método preciso para cortar un
diseño de un material determinado utilizando como guía un archivo de un diseño
asistido por computadora (CAD). Los parámetros de corte por láser son
determinantes principales para una característica de calidad. No obstante,
existen limitaciones como: tamaño del haz, costo de instalación y reemplazo,
accesorios adicionales costosos y la disponibilidad de trabajadores
calificados. OBJETIVO. Indagar la influencia de las variables espesor, velocidad
y potencia de corte sobre la tolerancia, variación dimensional y rugosidad del
elemento a prueba en dos polímeros distintos. MÉTODO. Se utilizó
el arreglo ortogonal Taguchi L8 y posteriormente ANOVA. RESULTADOS. Para
PVC con espesores de 0.8 y 2 mm, la rugosidad óptima fue 4.709 y 1.377 μm, respectivamente. Mientras que la rugosidad del acrílico fue
de 0.523 y 0.261 μm correspondientes para espesores de 2 y 5 mm. Por otro lado,
a partir de una potencia de 100 w y velocidad de corte de 4 mm/s, la variable
de respuesta analizada decrece. Los niveles bajos de las variables de control en
acrílico, brindan mejores atributos a las variables de respuesta. DISCUSIÓN
Y CONCLUSIONES. El aumento de espesor de ambos materiales (PVC y Acrílico)
mejora la calidad superficial y estadísticamente se sustenta la disminución de
la rugosidad.
Palabras claves: Corte láser, Matriz
ortogonal, Taguchi, Anova, Rugosidad.
ABSTRACT
INTRODUCTION. Laser
cutting is a precise method of cutting a design from a certain material using a
computer-aided design (CAD) file as a guide. Laser cutting parameters are the
main determinants of a quality characteristic. However, there are limitations
such as: beam size, cost of installation and replacement, expensive additional
accessories, and the availability of skilled workers. OBJECTIVE. To
investigate the influence of the variables: thickness,
speed and cutting power on the tolerance, dimensional variation and roughness
of an element under testing of two different polymers. METHOD. The
orthogonal arrangement of Taguchi L8 and ANOVA were used. RESULTS For
PVC with thicknesses of 0.8 and 2 mm, the optimal roughness was 4.709 and 1.377
μm, respectively. While the roughness of acrylic was 0.523 and 0261 μm
corresponding to thicknesses of 2 and 5 mm. On the other hand, from a power of
100 w and a cutting speed of 4 mm/s, the analyzed response variable decreases.
Low levels of acrylic control variables give better attributes to the studied response
variables. DISCUSSIONS AND CONCLUSIONS. The increase in the thickness of
the specimens in both materials (PVC and Acrylic) improves the surface quality.
The decrease in roughness was statistically supported.
Key words: Laser Cutting,
Orthogonal array, Taguchi, Anova, Roughness.
RESUMO
INTRODUÇÃO. O corte a
laser é um método preciso de corte de um projeto de um determinado material
usando um arquivo de projeto auxiliado por computador (CAD) como guia. Os
parâmetros de corte a laser são os principais determinantes para uma
característica de qualidade. No entanto, existem limitações como: tamanho da
viga, custo de instalação e substituição, acessórios adicionais caros e a
disponibilidade de trabalhadores qualificados. OBJETIVO. Investigar a
influência das variáveis: espessura, velocidade e poder de corte na tolerância,
variação dimensional e rugosidade de um elemento em teste de dois polímeros
diferentes MÉTODO. Foi utilizado o arranjo ortogonal Taguchi L8 e
posteriormente a análise de variância ANOVA. RESULTADOS. Para PVC com
espessuras de 0,8 e 2 mm, a rugosidade ótima foi 4,709 e 1,377 μm,
respectivamente. Já a rugosidade do acrílico foi de 0,523 e 0261 μm
correspondendo a espessuras de 2 e 5 mm. Por outro lado, a partir de uma
potência de 100 we velocidade de corte de 4 mm / s, a variável resposta
analisada diminui, os baixos níveis das variáveis de controle em acrílico
proporcionam melhores atributos às variáveis de resposta. DISCUSSÃO E
CONCLUSÕES. O aumento da espessura dos corpos de prova em ambos os materiais
(PVC e Acrílico) melhora a qualidade da superfície e estatisticamente foram
encontrados elementos que suportam a diminuição da rugosidade.
Palavras-chave:
Corte a laser, Matriz ortogonal, Anova, Taguchi, Rugosidade.
INTRODUCCIÓN
Hoy en día, el corte por
láser con CO2 es popular en varias industrias debido a la utilización de
materiales poliméricos. En general, caen en 2 grupos principales: los
termoplásticos (polietileno (PE), policarbonato (PC), polimetilmetacrilato
(PMMA) (acrílico), cloruro de polivinilo (PVC)) y plásticos-termoendurecibles,
que incluyen resinas epoxi y fenólicas [1]. Por otro lado, se desarrolló un modelo
teórico para estimar la profundidad de corte con la velocidad de corte y la
potencia del láser para varios materiales [2]. La optimización del proceso de corte para
PVC y Acrílico está influenciada por diferentes parámetros como la potencia del
láser, el tipo y la presión del gas auxiliar, el espesor, la velocidad de
corte y el modo de operación (onda continua o modo pulsado) [3]. El láser no sólo se usa para cortar,
sino también para grabar [4].
El corte láser ofrece calidad
de acabado superior a cualquier otro proceso [5], es mejor que otras herramientas de
corte ya que es versátil, sin desgaste, de alta utilización, flexibilidad y
alta precisión [6]. El corte usa un haz bajo de potencia,
mejor eficiencia y buena calidad de haz (aproximadamente 0,2 mm de ancho de
80-200W) [7].
Generalmente, los sistemas
láser de CO2 disponen de calidad de haz buena a potencias de salida
altas, suficientes para el corte de metal de sección gruesa [8].
Máquina de
Corte Laser
Una
cortadora láser, como en la Figura. 1, se usa para cortar materiales con gran precisión
y acabado superficial. La Tabla 1. muestra las especificaciones de la máquina
de corte láser utilizada para este estudio.
MÉTODO
El método de Taguchi [9] ampliamente utilizado en optimización
de procesos fue el escogido para la presente investigación. Por otro lado, las
variables y valores que pueden tener cada variable se detallan en la Tabla 2.
Tabla 2: Valores de los parámetros de
estudio
|
FACTOR
|
DESCRIPCIÓN
|
NIVEL 1
|
NIVEL 2
|
|
A
|
Potencia (W)
|
100
|
150
|
|
B
|
Velocidad (mm/s)
|
4
|
10
|
|
C
|
Espesor (mm)
|
0.8
|
2
|
Para el
presente estudio se planea analizar el efecto de los parámetros de entrada
mostrados en la tabla 2 sobre las variables de respuesta: Rugosidad, Tolerancia
y Variación Dimensional. El arreglo Ortogonal L8 de TAGUCHI descrito en la Tabla
3.
Tabla
3: Tabla
del diseño experimental
|
N° experimento
|
POTENCIA
|
VELOCIDAD
|
ESPESOR
|
|
1
|
Nivel 1
|
Nivel 2
|
Nivel 2
|
|
2
|
Nivel 1
|
Nivel 2
|
Nivel 1
|
|
3
|
Nivel 1
|
Nivel 1
|
Nivel 2
|
|
4
|
Nivel 1
|
Nivel 1
|
Nivel 1
|
|
5
|
Nivel 2
|
Nivel 2
|
Nivel 2
|
|
6
|
Nivel 2
|
Nivel 2
|
Nivel 1
|
|
7
|
Nivel 2
|
Nivel 1
|
Nivel 2
|
|
8
|
Nivel 2
|
Nivel 1
|
Nivel 1
|
Posteriormente
se realizará el análisis de varianza ANOVA [10] para poder conocer si sus
resultados son de significancia estadística.
RESULTADOS
Análisis ensayos en PVC
La Tabla 4 muetra los
resultados experimentalmentes para el PVC .
Tabla 4: Resultados
de los ensayos en PVC
|
PVC
|
Variables
de entrada
|
Variables
de salida
|
|
N°
|
Espesor
(mm)
|
Potencia
(W)
|
Velocidad
(mm/s)
|
Rugosidad
(μm)
|
Tolerancia
(mm)
|
Variación Dimensional %
|
|
1
|
0,8
|
150
|
10
|
4,709
|
49,41
|
1,19%
|
|
2
|
0,8
|
150
|
4
|
5,610
|
49,39
|
1,23%
|
|
3
|
0,8
|
100
|
10
|
6,104
|
49,31
|
1,38%
|
|
4
|
0,8
|
100
|
4
|
4,941
|
49,36
|
1,29%
|
|
5
|
2
|
150
|
10
|
1,311
|
49,87
|
0,26%
|
|
6
|
2
|
150
|
4
|
6,153
|
49,36
|
1,28%
|
|
7
|
2
|
100
|
10
|
2,060
|
49,44
|
1,13%
|
|
8
|
2
|
100
|
4
|
6,423
|
49,41
|
1,18%
|
Los resultados obtenidos
experimentalmente para el material de experimentación en acrílico se presentan
en la Tabla 5.
Tabla
5: Resultados de los ensayos en acrílico
|
Acrílico
|
Variables
de entrada
|
Variables
de salida
|
|
N°
|
Espesor
(mm)
|
Potencia
(W)
|
Velocidad
(mm/s)
|
Rugosidad
(μm)
|
Tolerancia
(mm)
|
Variación
Dimensional %
|
|
1
|
2
|
150
|
10
|
0,714
|
49,72
|
0,57%
|
|
2
|
2
|
150
|
4
|
0,642
|
49,20
|
1,61%
|
|
3
|
2
|
100
|
10
|
0,523
|
49,43
|
1,14%
|
|
4
|
2
|
100
|
4
|
0,725
|
49,22
|
1,57%
|
|
5
|
5
|
150
|
10
|
0,691
|
51,97
|
3,93%
|
|
6
|
5
|
150
|
4
|
0,393
|
49,39
|
1,23%
|
|
7
|
5
|
100
|
10
|
0,296
|
49,70
|
0,60%
|
|
8
|
5
|
100
|
4
|
0,261
|
49,41
|
1,18%
|
Rugosidad
En la Figura 2,
la rugosidad mejora al aumentar el espesor del PVC, igualmente empleando valores
altos de Potencia y Velocidad, se obtiene probetas con rugosidad superficial
menor.
En resumen, para la Rugosidad
y la Variación Dimensional funcionan mejor los niveles altos de los parámetros
de entrada, mientras que para la tolerancia ocurre todo lo opuesto. Para el
caso del acrílico se puede aseverar que los niveles bajos de las variables de
control brindan mejores atributos a las variables de respuesta estudiadas.
DISCUSIÓN Y
CONCLUSIONES
La menor rugosidad
para el PVC, según el método de Taguchi, se obtuvo al ensayar sobre la probeta
de espesor 2mm, con potencia de 150 w y velocidad de corte de 10 mm/s. Mientras
que, para el acrílico, la mínima rugosidad se obtuvo al ensayar sobre la
probeta de espesor 2 mm, con potencia de 100 w y velocidad de corte de 4 mm/s. En
términos de Variación Dimensional, los mejores resultados se dieron al ensayar
PVC sobre la probeta de espesor 2mm, con potencia de 150 w y velocidad de corte
de 10 mm/s. Mientras que para el acrílico la menor variación se obtuvo al
ensayar sobre la probeta de espesor 0.8mm. con potencia de 100 w y velocidad
de corte de 4 mm/s. Por otro lado, el factor tolerancia se comportó de mejor
manera tanto para al PVC y el Acrílico sobre un espesor de 0.8 mm, con una potencia
de 100w y una velocidad de corte de 4 mm/s.
Para el
análisis de varianza ANOVA del PVC, ningún factor de entrada cumple con los
requisitos para ser considerado fuente de variabilidad, no obstante, para la
rugosidad, la tolerancia y la variación dimensional los más significativos
según cada una de sus tablas son: la velocidad de corte, espesor y nuevamente
el espesor respectivamente. Igualmente, el material acrílico se puede resaltar
que estadísticamente se considera que la rugosidad es afectada por el espesor,
mientras que el efecto de los otros dos factores es estadísticamente
despreciable. Para la tolerancia y la variación dimensional no existe evidencia
estadística para aseverar que son afectadas por las variables de entrada, sin embargo,
las más influyentes según el análisis de varianza son la velocidad de corte y
la potencia para cada una respectivamente.
FUENTES DE
FINANCIAMIENTO
Esta investigación no fue
financiada.
DECLARACIÓN DE
CONFLICTO DE INTERÉS
Los autores declaran la no
existencia de conflicto de intereses.
APORTE DEL ARTÍCULO EN
LA LÍNEA DE INVESTIGACIÓN
Es un aporte en manufactura
y optimización de procesos industriales.
DECLARACIÓN DE
CONTRIBUCIÓN DE CADA AUTOR
El trabajo
se realizó colaborativamente entre el equipo de investigación.
AGRADECIMIENTOS
A todo el equipo de trabajo.
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M. Varsi and A. H. Shaikh, “ Experimental and statistical study on kerf taper
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[6] D.
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NOTA BIOGRÁFICA
Enrique Mauricio Barreno
Avila. ORCID iD 
https://orcid.org/0000-0001-5221-7664
Investigador Independiente. Master en Ingeniería del Petróleo por la
Universidad de Curtin - Australia, Ingeniero Mecánico. Participación en congresos
internacionales.
Edwin Rolando Moya Moya. ORCID
iD https://orcid.org/0000-0003-3856-2941
Nació en Píllaro-Ecuador
en 1991. Ingeniero Mecánico de la Universidad Técnica de Ambato. Investigador
Independiente en área de materiales y procesos de manufactura.
Alex Francisco Barreno Avila. ORCID
iD https://orcid.org/0000-0001-9668-0028
Egresado de Ingeniería Mecánica - Universidad Técnica de Ambato. Investigación
en optimización de parámetros de fabricación y de prototipado rápido.
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