Dos primeiros princípios à tecnologia de ponta

Abstrato

  Este artigo apresenta uma visão geral do assunto do corte a laser. Assuntos cobertos incluem; Interações laser-materiais, diferentes tipos de laser, o crescimento técnico e comercial do corte a laser e o estado da arte.

Primeiros Princípios

  A maioria dos cortes a laser é realizada usando lasers de CO2 ou Nd: YAG. Os princípios gerais de corte são semelhantes para ambos os tipos de laser, embora os lasers de CO2 dominem o mercado por razões, que serão discutidas mais adiante no artigo. O mecanismo básico do corte a laser é extremamente simples e pode ser resumido da seguinte forma:

1. Um feixe de alta intensidade de luz infravermelha é gerado por um laser.

2. Este feixe é focado na superfície da peça de trabalho por meio de uma lente.

3. O feixe focado aquece o material e estabelece uma fusão muito localizada (geralmente menor que 0,5 mm de diâmetro) em toda a profundidade da folha.

4. O material fundido é ejetado da área por um jato de gás pressurizado atuando coaxialmente com o feixe de laser como mostrado na figura 1. (NB Com certos materiais, este jato de gás pode acelerar o processo de corte, fazendo trabalho químico e físico. Por exemplo, os aços carbono ou suaves são geralmente cortados em um jato de oxigênio puro. O processo de oxidação iniciado pelo aquecimento a laser gera seu próprio calor e isso aumenta muito a eficiência do processo.)

5. Esta área localizada de remoção de material é movida através da superfície da chapa, gerando assim um corte. O movimento é obtido pela manipulação do ponto de laser focalizado (por espelhos CNC) ou movendo-se mecanicamente a folha em uma mesa X-Y CNC. Sistemas "híbridos" também estão disponíveis onde o material é movido em um eixo e o ponto do laser é movido no outro. Sistemas totalmente robóticos estão disponíveis para perfilamento de formas tridimensionais. Os lasers Nd: YAG podem utilizar fibras ópticas em vez de espelhos, mas essa opção não está disponível para o laser de CO2 de maior comprimento de onda.

  Figura 1. Um esquema de corte a laser. A montagem da lente ou o bocal (ou ambos) podem ser ajustados da esquerda para a direita ou para dentro e para fora do plano do esboço. Isso permite a centralização do feixe focalizado com o bico. A distância vertical entre o bocal e a lente também pode ser ajustada. Antes de passar para uma descrição mais detalhada do processo de corte, agora é um bom momento para resumir os benefícios do corte a laser.

O processo corta em alta velocidade em comparação com outros métodos de criação de perfil. Por exemplo, um laser de CO2 de 1500W cortará o aço macio de 2mm de espessura a 7,5mmin-1. A mesma máquina cortará uma folha de acrílico de 5mm de espessura a ~ 12mmin-1.

B. Na maioria dos casos (por exemplo, os dois exemplos dados acima), os componentes de corte estarão prontos para o serviço imediatamente após o corte, sem qualquer operação de limpeza subsequente.

C. A largura de corte (largura do corte) é extremamente estreita (tipicamente 0,1 a 1,0 mm). Trabalhos muito detalhados podem ser realizados sem as restrições de um raio interno mínimo imposto por fresadoras e métodos mecânicos similares.

D. O processo pode ser totalmente controlado por CNC. Isso combinado com a falta de necessidade de arranjos de agitação complexos, significa que, uma mudança de trabalho do componente de corte "A" de aço para o componente de corte "B" do polímero pode ser realizada em segundos. (Note que os lasers Nd: YAG não podem cortar a maioria dos plásticos porque são transparentes para a luz laser Nd: YAG).

E. Embora o corte a laser seja um processo térmico, a área real aquecida pelo laser é muito pequena e a maior parte deste material aquecido é removida durante o corte. Assim, a entrada térmica para a maior parte do material é muito baixa, as zonas afetadas pelo calor são minimizadas e a distorção térmica é geralmente evitada.

F. É um processo sem contato, o que significa que o material precisa ser apenas ligeiramente preso ou simplesmente posicionado sob o feixe. Materiais flexíveis ou frágeis podem ser cortados com grande precisão e não distorcem durante o corte, como quando cortados por métodos mecânicos.

G. Devido à natureza CNC do processo, a estreiteza da largura da trama e a falta de força mecânica na folha que está sendo cortada, os componentes podem ser dispostos para se "encaixarem" muito próximos uns dos outros. Assim, o desperdício de material pode ser reduzido ao mínimo. Em alguns casos, este princípio pode ser estendido até que não haja nenhum material residual entre arestas semelhantes de componentes adjacentes.

H. Embora o custo de capital de uma máquina de corte a laser seja substancial, os custos de operação são geralmente baixos. Muitos casos industriais existem onde uma grande instalação se pagou em menos de um ano.

I. O processo é extremamente silencioso em comparação com as técnicas concorrentes, um fator que melhora o ambiente de trabalho e a eficiência ou a equipe operacional.

J. As máquinas de corte a laser são extremamente seguras de usar em comparação com muitas de suas contrapartes mecânicas.

Uma comparação de CO2 e Nd:

  Corte a Laser YAG. Os lasers de CO2 e Nd: YAG geram feixes de luz infravermelha de alta intensidade que podem ser focalizados e usados para o corte.

  Muito menos lasers Nd: YAG são vendidos como máquinas de corte em comparação com os lasers de CO2. Isso ocorre porque, para aplicações gerais de corte, os lasers de CO2 são mais eficazes. Os lasers Nd: YAG são apenas preferidos:

R. Se for necessário um trabalho detalhado muito fino em material de seção fina.

B. Se materiais altamente refletivos, como cobre ou ligas de prata, devem ser cortados regularmente

OU

C. Se uma fibra óptica for usada para transportar o feixe de laser para a peça de trabalho.

  Embora os lasers de CO2 e Nd: YAG gerem luz infravermelha, o comprimento de onda da luz de laser de CO2 é dez vezes maior que o das máquinas de Nd: YAG (10,6 mícrons e 1,06 mícrons, respectivamente). Como a luz laser Nd: YAG tem um comprimento de onda menor, possui três vantagens sobre a luz laser de CO2:

1. A luz laser Nd: YAG pode ser focalizada em um ponto menor * do que a luz laser de CO2. Isso significa que um trabalho mais detalhado e mais detalhado pode ser alcançado (por exemplo, ponteiros ornamentais).

2. A luz laser Nd: YAG é menos facilmente refletida pelas superfícies metálicas. Por esta razão, os lasers Nd: YAG são adequados para trabalhar em metais altamente reflexivos, como a prata.

3. Nd: YAG luz pode viajar através do vidro (luz de CO2 não pode). Isso significa que lentes de vidro de alta qualidade podem ser usadas para focalizar o feixe até um tamanho mínimo de ponto *. Além disso, as fibras ópticas de quartzo podem ser utilizadas para transportar o feixe a distâncias relativamente longas da peça de trabalho. Isso levou ao uso generalizado dos lasers Nd: YAG nas linhas de produção de automóveis, onde o espaço disponível nas linhas é escasso.

  * Nota: Se for utilizada uma fibra óptica, a capacidade da luz laser Nd: YAG de se concentrar em um ponto muito pequeno pode ser perdida se a potência média estiver acima de 100 Watts. O tamanho do ponto focalizado após viajar através de uma fibra óptica pode ser maior que um ponto de laser de CO2

  A luz laser de menor comprimento de onda Nd: YAG também tem uma grande desvantagem:

1. A maioria dos materiais orgânicos (por exemplo, plásticos, produtos à base de madeira, couro, borrachas naturais, etc.) são transparentes para a luz laser Nd: YAG. Por essa razão, eles não podem ser cortados pelos lasers Nd: YAG. Se a potência do laser for baixa ou o tamanho do ponto focalizado for grande, a luz passa pelo material sem aquecê-lo o suficiente para cortá-lo. Se a intensidade do feixe de laser for aumentada, aumentando a potência ou reduzindo o tamanho do ponto, o material eventualmente responderá com uma explosão localizada que pode produzir uma ruptura ou furo.

  A situação com não-metais inorgânicos (por exemplo, cerâmica, vidros, carbono, etc.) é bastante complexa. Os lasers de CO2 podem ser usados para cortar uma grande proporção desses materiais, mas, mais uma vez, as máquinas Nd: YAG podem ter problemas de transparência de materiais (isso é verdade para o vidro e o quartzo, por exemplo). Uma história de sucesso para os dois tipos de laser é o perfil de substratos cerâmicos para a indústria eletrônica. Em alguns casos, os enchimentos inorgânicos usados para colorir ou endurecer plásticos podem torná-los adequados para o corte de Nd: YAG. Geralmente, no entanto, o corte de polímeros é realizado apenas por lasers de CO2.

  Em resumo, os lasers Nd: YAG podem ser usados para cortar detalhes finos, ou podem ser usados com uma fibra ótica, caso em que detalhes finos não serão possíveis (exceto ao cortar chapas ou máscaras finas com baixa potência). Eles são particularmente adequados para cortar ligas de alta refletividade, mas não podem cortar muitos não-metais.

  Os lasers de CO2, por outro lado, são geralmente uma rota de produção mais barata e, portanto, são favorecidos para fins gerais de engenharia. Os lasers de CO2 também têm a vantagem de poder cortar uma gama maior de materiais, de metais a polímeros e madeira.

Mecanismos de corte

  Os mecanismos de corte podem cortar materiais a laser por diversos mecanismos diferentes, descritos abaixo. O subtítulo para cada mecanismo de corte inclui uma menção aos grupos de materiais cortados e quais dos lasers estão envolvidos.

  Corte por fusão ou corte por fusão (a maioria dos metais e termoplásticos - lasers CO2 e Nd: YAG)

A Figura 2 é um esquema do processo de corte por fusão ou corte por fusão. (Também referido como "corte de gás inerte"). [1] Neste caso, o feixe de laser focado derrete a peça de trabalho e a fusão é ejetada da parte inferior do corte peloação mecânica do jato de gás de corte. Os materiais que são cortados deste modo incluem a maioria dos que podem ser fundidos, isto é, metais e termoplásticos. Para cortar com sucesso esses materiais, precisamos escolher nosso gás de cortetipo e pressão com cuidado.

  O tipo de gás de corte é escolhido dependendo da natureza reativa do material a ser cortado, ou seja,

  Os termoplásticos fundidos não reagem quimicamente com nitrogênio ou oxigênio e, portanto, o ar comprimido pode ser usado como gás de corte.

  O aço inoxidável fundido reage com o oxigênio, mas não com o nitrogênio e, portanto, o nitrogênio é usado neste caso.

  O titânio fundido reage com oxigênio ou nitrogênio e, portanto, o argônio (que é quimicamente inerte) é usado como gás de corte.

  A pressão do gás empregue depende também dos materiais a serem cortados, isto é, a remoção do polímero fundido da zona de corte (quando se corta, por exemplo, nylon) não requer um jacto de gás de alta pressão e assim a pressão de alimentação aocabeça de corte pode ser da faixa de 2 a 6 bar. O aço inoxidável derretido, por outro lado, requer consideravelmente mais impulso mecânico para removê-lo da zona de corte e, portanto, as pressões de suprimento empregadas estarão na faixa de 8 a 14 bar (aa pressão necessária aumenta com a espessura do aço).