CORTE A LASER: DOS PRIMEIROS PRINCÍPIOS AO ESTADO DA ARTE

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.

  A. O processo é cortado 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. Isto, combinado com a falta de necessidade de arranjos complexos de jigging, 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 corte a laser de CO2 e Nd: 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 uma variedade de mecanismos diferentes que são 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)

  Figura 2 Derreta 1. A maioria dos materiais orgânicos

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 o fundido é ejetado da parte inferior do corte pela ação 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 com cuidado nosso tipo de gás de corte e pressão.

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 empregado também depende dos materiais que estão sendo cortados, ou seja, a remoção do polímero fundido da zona de corte (ao cortar, por exemplo, nylon) não requer um jato de gás de alta pressão e, portanto, a pressão de suprimento à cabeça de corte pode seja da faixa de 2 a 6 bar. O aço inoxidável fundido, 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 (a pressão necessária aumenta com a espessura do aço).

  Corte de Degradação Química (Polímeros e Produtos de Madeira Termofixos - Lasers de CO2)

  Plásticos termofixos e produtos de madeira não são cortados pelo mecanismo de cisalhamento de fundição pela simples razão de que eles não podem derreter. Neste caso, o laser queima a peça de trabalho, reduzindo o plástico ou a madeira a uma fumaça composta de carbono e os outros constituintes do material original.

  Este processo é conhecido como corte por degradação química. Como esse processo consome mais energia do que a fusão simples, as velocidades de corte e as espessuras máximas dos termofixos são menores do que as dos termoplásticos, a borda de corte desses materiais é geralmente plana, lisa e coberta com uma fina camada de carbono.

  Corte por Evaporação (Acrílico e Poliacetal - Lasers de CO2)

  Para os metais, a ideia de corte a laser por evaporação não é de todo atrativa porque a evaporação consome muito mais energia do que a fusão simples necessária para o corte por cisalhamento por fusão. Para certos polímeros, no entanto, o corte por evaporação ocorre porque os pontos de fusão e ebulição dos materiais estão muito próximos uns dos outros. O material mais comum que é cortado desta maneira é Polimetilmetacrilato, que é mais conhecido como acrílico ou por seus nomes comerciais; Perspex, Plexiglass, etc.

  Este material é usado extensivamente para trabalhos de sinalização e exibição e é uma sorte que, devido à sua capacidade de evaporar durante o corte a laser, uma borda de corte brilhante e polida possa ser produzida.

  Scribing (cerâmicas - CO2 ou Nd: YAG Lasers)

  A gravação é um processo pelo qual velocidades de corte muito rápidas podem ser alcançadas em cerâmicas frágeis e finas (por exemplo, AL2O3) para a indústria eletrônica. O laser é usado em seu modo pulsado para evaporar uma linha de furos pouco profundos através da superfície da folha do material. O material é posteriormente encaixado ao longo dessas linhas de fraqueza. Por razões óbvias, o processo é apropriado apenas para a produção de linhas retas.

  Corte por Oxidação (Leve e Aços Carbono - Lasers CO2 ou Nd: YAG)

  O aço doce e os aços carbono podem ser cortados pelo processo de cisalhamento por fusão usando nitrogênio, mas eles são mais comumente cortados usando oxigênio como o gás de corte. O oxigênio reage quimicamente com o ferro na zona de corte e isso tem duas vantagens para o processo de corte:

1. A reação gera calor, o que acelera o processo de corte e, assim, melhora as velocidades de corte e aumenta a espessura máxima que pode ser cortada.

  2. A reação produz uma fusão oxidada, que tem baixa viscosidade e não adere bem ao aço sólido em ambos os lados do corte. Isso significa que o líquido é facilmente soprado para fora da zona de corte e não há fusão residual (escória) preso à borda inferior do corte.

  A reação química também tem dois inconvenientes:

  1. A sensibilidade do processo é aumentada no que diz respeito aos seguintes parâmetros de processo;

  O feixe de laser deve ser precisamente centrado no orifício do bocal da cabeça de corte (veja a Figura 1).

  O raio laser deve ter uma distribuição de energia que seja axialmente simétrica.

  2. A reac�o qu�ica deixa uma fina camada (~ 100? M) de pele de �ido de ferro na borda cortada. Esta camada de óxido é frágil e não está bem presa ao aço subjacente. Isso geralmente não é um problema, mas pode ser desfeito após uma peça ter sido pintada, levando a tinta consigo. Por essa razão, alguns clientes insistem em componentes de aço carbono cortados com nitrogênio.

Estudo de caso

  É enganoso escolher um único componente e, em seguida, demonstrar por que o corte a laser é o método de produção preferido. De modo a proporcionar uma imagem mais ampla, consideremos um tipo de componente, isto é, uma placa plana, aproximadamente rectangular, com dez orifícios, três ranhuras e algum detalhe de orla. Vamos supor um tamanho total de 200 mm x 300 mm.

  A rota para a fabricação será determinada por vários fatores:

  Tipo de material e espessura, número de componentes necessários, precisão necessária, qualidade de aresta necessária, tamanhos de furos / ranhuras, etc.

  A decisão dependerá dos custos associados à produção de peças de qualidade apropriada e o método mais barato será então escolhido. Em muitos casos, o corte a laser será a rota mais barata, mas é interessante fornecer alguns exemplos diferentes do produto para demonstrar quando um método alternativo seria escolhido:

  1. Material - o corte a laser de CO2 de aço de 3 mm de espessura seria escolhido, exceto nas seguintes condições.

  Se precisarmos de mais de 100.000 componentes. Para produção em lote grande, os custos iniciais associados à perfuração de ferramenta fixa podem ser justificáveis.

  Se o contorno geral não envolvesse perfis complexos e apenas uma ou duas peças fossem necessárias, então o corte a plasma ou a chama seguido de usinagem poderia ser um concorrente.

  Se as tolerâncias de tamanho nos furos ou ranhuras tiverem que ser muito melhores que os ± 0.1mm típicos do corte a laser de CO2 comercial. Neste caso, o corte a laser Nd: YAG, perfuração CNC ou usinagem de descarga elétrica podem ser preferidos

  2. Material - metal grosso de 15 mm:

  Neste caso, o corte a laser de CO2 seria geralmente escolhido como a opção mais barata se o metal em questão fosse de aço. No entanto, o corte a laser comercial não pode ser usado para perfilar alumínio ou ligas de cobre nessa espessura e a alternativa usual seria o corte por jato de água com abrasivo.

  3. Material - 5 mm de titânio:

O corte a laser de CO2 seria empregado neste caso se a zona afetada pelo calor criada ao longo da borda de corte não for importante para o produto acabado.

  Em aplicações críticas de vida de fadiga, a zona afetada pelo calor seria problemática e, portanto, usinagem mecânica, jato de água abrasivo ou usinagem de descarga elétrica poderiam ser usados.

  4. Material - polímero de 10 mm:

  Neste caso, o corte a laser de CO2 seria empregado, a menos que o número de componentes envolvidos justificasse o uso de técnicas de moldagem por injeção.

O Estado da arte

  O estado da arte de um tópico tão diverso quanto o corte a laser não é um assunto único. O desempenho de uma máquina dedicada a uma única aplicação pode ser muito diferente do de uma instalação mais versátil do tipo job shop.

  Por esta razão, o estado da arte é melhor discutido sob vários títulos:

  Corte a Laser de Oficina

  Desde o início do corte a laser como um processo industrial no início dos anos 70, os fabricantes de máquinas aumentaram constantemente o poder dos lasers envolvidos. A potência usada para cortar sempre ficou atrás das potências máximas disponíveis porque o corte a laser requer um feixe de alta qualidade, que pode ser focalizado até um pequeno ponto com densidade de energia simétrica axialmente (essa simetria é necessária se o feixe for cortado igualmente bem todas as direções).

  As máquinas de corte modernas (2004) empregam frequentemente potências entre 3.5kW e 5.5kW capazes de taxas de produção muito altas. Dois parâmetros importantes do ponto de vista de uma oficina são a espessura máxima de um material em particular que pode ser cortado e as velocidades de corte disponíveis. A Tabela 1 apresenta a espessura máxima aproximada, que pode ser cortada nos lasers de 4 e 5 kW por CO2.

  Tabela 1. Espessura máxima aproximada dos materiais para lasers de CO2.

  Velocidades de corte

  O assunto das velocidades de corte está aberto a muita interpretação e os vendedores interessados publicaram muitas informações enganosas ao longo das últimas três décadas. Nos últimos anos, os fabricantes de máquinas realizaram dois pontos importantes;

  1. Não é apenas a velocidade máxima de corte linear que é importante; é o tempo de ciclo do componente.

  2. Muitas vezes, é melhor desligar a energia de uma máquina multilowowatt para cortar materiais de seção mais fina. (Portanto, sua máquina de 4 kW pode reduzir automaticamente sua potência para 2 kW para cortar aço macio de 2 mm de espessura).

Para maximizar a produção, os fabricantes de machineb concentraram-se recentemente na aceleração da máquina e nas velocidades de movimento entre cortes. A melhoria nesses campos e assuntos relacionados, como tempos de perfuração e taxas de retração da cabeça, tornaram a velocidade de corte a laser apenas um pequeno componente em um cálculo complicado para estimar os tempos de ciclo dos componentes. Hoje em dia, a única maneira precisa de comparar o desempenho de duas máquinas é realizar testes em componentes reais. No entanto, a tabela 2 apresenta algumas velocidades de corte típicas.

  Tabela 2. Velocidades típicas de corte a laser para linhas retas de várias centenas de milímetros de comprimento a uma potência de aproximadamente 5kW. (Valores médios calculados a partir dos dados fornecidos por Bystronic e Trumpf)

  Aplicações Especializadas

  Nenhuma visão geral do estado da arte estaria completa sem uma olhada em algumas aplicações especializadas. Duas dessas aplicações são o desenvolvimento de corte de alta velocidade e corte de seção espessa desenvolvido no Fraunhofer Institute for Lasertechnik em Aachen, Alemanha. Pelo controle cuidadoso dos parâmetros do processo, as equipes de Aachen cortaram aço inoxidável com espessura superior a 40mm. O desenvolvimento de uma máquina de corte a laser para a seção fina é ainda mais interessante porque envolve um tipo incomum de interação laser-material no corte. zona. Foi mencionado anteriormente que a evaporação geralmente deve ser evitada ao se cortar metais, já que consome muita energia. No entanto, ao cortar seções finas em alta velocidade, o processo de evaporação pode auxiliar no processo de corte, aplicando uma pressão localizada na zona de corte que ajuda a ejetar o material fundido. Ao empregar este princípio, a equipe de Aachen alcançou velocidades de corte superiores a 145 m / min para uma espessura de chapa de aço de 0,23 mm [2].

  Uma área recente de avanço, que se tornou muito popular nos últimos dois ou três anos, é o desenvolvimento de máquinas de corte a laser. Estão agora disponíveis máquinas que podem processar tubos de quase qualquer secção transversal, com diâmetros até um par de cem milímetros. O advento dessas máquinas estimulou novas atitudes para o design. Em vez de fazer, por exemplo, duas pernas de suporte e uma cruz de três peças, todo o conjunto pode ser cortado a laser de um comprimento de tubo e simplesmente dobrado em forma antes da soldagem - consulte a figura 3.

  Figura 3. Perfil especialmente projetado para a produção de dobras curvas

  Além disso, as junções tipo lingueta e ranhura de marcenaria podem ser empregadas para ajudar no ajuste final da soldagem ou na fabricação, veja a figura 4.

  Figura 4. O projeto para corte a laser pode envolver o uso de juntas de lingueta e ranhura tipo madeira. (Amostra cortesia de BLM: Adige)

  Outra área de interesse recente é o crescimento do lasermicro usinagem. Esta área de aplicação está se tornandocada vez mais popular na eletrônica e biomédicaCampos. Os lasers envolvidos geralmente precisam terfocalizados do que o possível usando CO2 infravermelho elasers Nd: YAG padrão. Por esse motivo, os lasers quegerar luz visível ou ultravioleta são empregados eaprocesso de corte é um dos evaporação ou ablação em vezdo que o tipo de perfil Figura 3.

Conclusão

  Desde o seu início no início dos anos 70, o corte a lasercontinuamente expandido para preencher um mercado cada vez maiorcompartilhar. A relação custo-eficácia do processo é claramenteevidente em seu amplo escopo de aplicação. É claro quemelhorias incrementais em software e hardwaregarantirá o sucesso contínuo do processo.

Agradecimentos

  Os autores gostariam de agradecer ao corte a laserfabricantes de máquinas Bystronic, Trumpf eBLM: Adige por sua ajuda na produção deste artigo.Também agradeço a Laura Adams por preparar este documento.