A introdução do corte a laser

O corte a laser é uma tecnologia que usa um laser para vaporizar materiais, resultando em uma borda de corte.Embora normalmente usado para aplicações de fabricação industrial, agora é usado por escolas, pequenas empresas, arquitetura e amadores.O corte a laser funciona direcionando a saída de um laser de alta potência mais comumente através da ótica.A óptica do laser e o CNC (controle numérico computadorizado) são usados ​​para direcionar o feixe de laser para o material.Um laser comercial para cortar materiais usa um sistema de controle de movimento para seguir um CNC ou código G do padrão a ser cortado no material.O feixe de laser focado é direcionado ao material, que então derrete, queima, vaporiza ou é soprado por um jato de gás,[1] deixando uma borda com um acabamento superficial de alta qualidade

História
Em 1965, a primeira máquina de corte a laser de produção foi usada para fazer furos em matrizes diamantadas.Esta máquina foi feita pelo Western Electric Engineering Research Center.[3]Em 1967, os britânicos foram pioneiros no corte a jato de oxigênio assistido por laser para metais.[4]No início da década de 1970, essa tecnologia foi colocada em produção para cortar titânio para aplicações aeroespaciais.Ao mesmo tempo, os lasers de CO2 foram adaptados para cortar não metais, como têxteis, porque, na época, os lasers de CO2 não eram poderosos o suficiente para superar a condutividade térmica dos metais.[5]

Processo

Corte a laser industrial de aço com instruções de corte programadas através da interface CNC
O feixe de laser é geralmente focado usando uma lente de alta qualidade na zona de trabalho.A qualidade do feixe tem um impacto direto no tamanho do ponto focalizado.A parte mais estreita do feixe focalizado geralmente tem menos de 0,0125 polegadas (0,32 mm) de diâmetro.Dependendo da espessura do material, larguras de corte tão pequenas quanto 0,004 polegadas (0,10 mm) são possíveis.[6]Para poder começar a cortar de outro lugar que não a borda, uma perfuração é feita antes de cada corte.A perfuração geralmente envolve um feixe de laser pulsado de alta potência que faz um furo lentamente no material, levando cerca de 5 a 15 segundos para aço inoxidável de 13 mm de espessura, por exemplo.

Os raios paralelos de luz coerente da fonte de laser geralmente caem na faixa entre 0,06 a 0,08 polegadas (1,5 a 2,0 mm) de diâmetro.Este feixe é normalmente focado e intensificado por uma lente ou um espelho para um ponto muito pequeno de cerca de 0,001 polegadas (0,025 mm) para criar um feixe de laser muito intenso.Para obter o acabamento mais suave possível durante o corte de contorno, a direção da polarização do feixe deve ser girada ao redor da periferia de uma peça de trabalho com contorno.Para corte de chapas metálicas, a distância focal geralmente é de 38 a 76 mm (1,5 a 3 polegadas).[7]

As vantagens do corte a laser sobre o corte mecânico incluem uma fixação mais fácil e menor contaminação da peça de trabalho (já que não há aresta de corte que possa ser contaminada pelo material ou contaminar o material).A precisão pode ser melhor, pois o feixe de laser não se desgasta durante o processo.Há também uma chance reduzida de deformar o material que está sendo cortado, pois os sistemas a laser têm uma pequena zona afetada pelo calor.[8]Alguns materiais também são muito difíceis ou impossíveis de cortar por meios mais tradicionais.

O corte a laser para metais tem as vantagens sobre o corte a plasma de ser mais preciso[9] e usar menos energia ao cortar chapas;no entanto, a maioria dos lasers industriais não consegue cortar a maior espessura de metal que o plasma.As máquinas a laser mais recentes que operam com potência mais alta (6.000 watts, em contraste com as classificações de 1.500 watts das primeiras máquinas de corte a laser) estão se aproximando das máquinas de plasma em sua capacidade de cortar materiais espessos, mas o custo de capital dessas máquinas é muito maior do que o do plasma. máquinas de corte capazes de cortar materiais grossos como chapas de aço.[10]

Tipos

Cortador a laser CO2 de 4000 watts
Existem três tipos principais de lasers usados ​​no corte a laser.O laser de CO2 é adequado para corte, mandrilamento e gravação.Os lasers de neodímio (Nd) e neodímio ítrio-alumínio-granada (Nd:YAG) são idênticos em estilo e diferem apenas na aplicação.Nd é usado para mandrilamento e onde é necessária alta energia, mas baixa repetição.O laser Nd:YAG é usado onde é necessária uma potência muito alta e para mandrilamento e gravação.Os lasers de CO2 e Nd/Nd:YAG podem ser usados ​​para soldagem.[11]

Os lasers de CO2 são comumente “bombeados” passando uma corrente através da mistura de gás (excitada por DC) ou usando energia de radiofrequência (excitada por RF).O método de RF é mais recente e se tornou mais popular.Como os projetos DC requerem eletrodos dentro da cavidade, eles podem encontrar erosão do eletrodo e revestimento do material do eletrodo em vidraria e óptica.Como os ressonadores de RF possuem eletrodos externos, eles não são propensos a esses problemas.Os lasers de CO2 são usados ​​para corte industrial de muitos materiais, incluindo titânio, aço inoxidável, aço macio, alumínio, plástico, madeira, madeira de engenharia, cera, tecidos e papel.Os lasers YAG são usados ​​principalmente para cortar e riscar metais e cerâmicas.[12]

Além da fonte de energia, o tipo de fluxo de gás também pode afetar o desempenho.Variantes comuns de lasers de CO2 incluem fluxo axial rápido, fluxo axial lento, fluxo transversal e placa.Em um ressonador de fluxo axial rápido, a mistura de dióxido de carbono, hélio e nitrogênio é circulada em alta velocidade por uma turbina ou soprador.Os lasers de fluxo transversal circulam a mistura de gás a uma velocidade mais baixa, exigindo um soprador mais simples.Os ressonadores resfriados por placas ou por difusão têm um campo de gás estático que não requer pressurização ou vidraria, levando a economia na substituição de turbinas e vidrarias.

O gerador de laser e a ótica externa (incluindo a lente de foco) requerem resfriamento.Dependendo do tamanho e da configuração do sistema, o calor residual pode ser transferido por um refrigerante ou diretamente para o ar.A água é um refrigerante comumente usado, geralmente circulado através de um resfriador ou sistema de transferência de calor.

Laser microjet é um laser guiado por jato de água no qual um feixe de laser pulsado é acoplado a um jato de água de baixa pressão.Isso é usado para executar funções de corte a laser enquanto usa o jato de água para guiar o feixe de laser, como uma fibra óptica, através de reflexão interna total.As vantagens disso são que a água também remove detritos e resfria o material.As vantagens adicionais sobre o corte a laser “seco” tradicional são as altas velocidades de corte, corte paralelo e corte omnidirecional.[13]

Os lasers de fibra são um tipo de laser de estado sólido que está crescendo rapidamente na indústria de corte de metal.Ao contrário do CO2, a tecnologia Fiber utiliza um meio de ganho sólido, em oposição a um gás ou líquido.O “laser semente” produz o feixe de laser e é então amplificado dentro de uma fibra de vidro.Com um comprimento de onda de apenas 1064 nanômetros, os lasers de fibra produzem um tamanho de ponto extremamente pequeno (até 100 vezes menor em comparação com o CO2), tornando-o ideal para cortar material metálico refletivo.Esta é uma das principais vantagens da fibra em relação ao CO2.[14]

Os benefícios do cortador a laser de fibra incluem: -

Tempos de processamento rápidos.
Consumo de energia e contas reduzidos – devido à maior eficiência.
Maior confiabilidade e desempenho – sem óptica para ajustar ou alinhar e sem lâmpadas para substituir.
Manutenção mínima.
A capacidade de processar materiais altamente refletivos, como cobre e latão
Maior produtividade – custos operacionais mais baixos oferecem um maior retorno do seu investimento.[15]

Métodos
Existem muitos métodos diferentes de corte usando lasers, com diferentes tipos usados ​​para cortar diferentes materiais.Alguns dos métodos são vaporização, fusão e sopro, fusão e queima, craqueamento por estresse térmico, riscagem, corte a frio e corte a laser estabilizado por queima.

Corte por vaporização
No corte por vaporização, o feixe focalizado aquece a superfície do material até o ponto de fulgor e gera um buraco de fechadura.O buraco da fechadura leva a um aumento repentino na absortividade, aprofundando rapidamente o buraco.À medida que o buraco se aprofunda e o material ferve, o vapor gerado corrói as paredes fundidas, ejetando e aumentando ainda mais o buraco.Materiais não derretidos, como madeira, carbono e plásticos termofixos, geralmente são cortados por esse método.
Derreta e sopre
O corte por fusão e sopro ou fusão usa gás de alta pressão para soprar o material fundido da área de corte, diminuindo bastante a necessidade de energia.Primeiro, o material é aquecido até o ponto de fusão, em seguida, um jato de gás sopra o material fundido para fora do corte, evitando a necessidade de aumentar ainda mais a temperatura do material.Os materiais cortados com este processo são geralmente metais.

Trincamento por estresse térmico
Materiais frágeis são particularmente sensíveis à fratura térmica, uma característica explorada na fissuração por tensão térmica.Um feixe é focado na superfície causando aquecimento localizado e expansão térmica.Isso resulta em uma trinca que pode ser guiada pelo movimento da viga.A fissura pode ser movida na ordem de m/s.Geralmente é usado no corte de vidro.

Corte furtivo de wafers de silício
Mais informações: Corte em cubos
A separação de chips microeletrônicos como preparados na fabricação de dispositivos semicondutores a partir de wafers de silício pode ser realizada pelo chamado processo stealth dicing, que opera com um laser Nd:YAG pulsado, cujo comprimento de onda (1064 nm) está bem adaptado ao ambiente eletrônico. gap de banda de silício (1,11 eV ou 1117 nm).

Corte reativo
Também chamado de “corte a gás a laser estabilizado por queima”, “corte por chama”.O corte reativo é como o corte com maçarico de oxigênio, mas com um feixe de laser como fonte de ignição.Usado principalmente para cortar aço carbono em espessuras superiores a 1 mm.Este processo pode ser usado para cortar chapas de aço muito grossas com relativamente pouca potência do laser.

Tolerâncias e acabamento superficial
Os cortadores a laser têm precisão de posicionamento de 10 micrômetros e repetibilidade de 5 micrômetros.

A rugosidade padrão Rz aumenta com a espessura da chapa, mas diminui com a potência do laser e a velocidade de corte.Ao cortar aço de baixo carbono com potência de laser de 800 W, a rugosidade padrão Rz é de 10 μm para espessura de chapa de 1 mm, 20 μm para 3 mm e 25 μm para 6 mm.

{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542 }}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}
Onde: {\displaystyle S=}S= espessura da chapa de aço em mm;{\displaystyle P=}P= potência do laser em kW (alguns novos cortadores a laser têm potência do laser de 4 kW);{\displaystyle V=}V= velocidade de corte em metros por minuto.[16]

Este processo é capaz de manter tolerâncias bastante próximas, muitas vezes dentro de 0,001 polegada (0,025 mm).A geometria da peça e a solidez mecânica da máquina têm muito a ver com as capacidades de tolerância.O acabamento superficial típico resultante do corte por feixe de laser pode variar de 125 a 250 micropolegadas (0,003 mm a 0,006 mm).[11]

Configurações da máquina

Laser óptico voador de palete duplo

Cabeça de laser de óptica voadora
Geralmente, existem três configurações diferentes de máquinas de corte a laser industriais: material móvel, híbrido e sistemas ópticos voadores.Referem-se à forma como o feixe de laser é movido sobre o material a ser cortado ou processado.Para todos estes, os eixos de movimento são normalmente designados como eixos X e Y.Se a cabeça de corte puder ser controlada, ela será designada como eixo Z.

Os lasers de material em movimento têm uma cabeça de corte estacionária e movem o material sob ela.Este método fornece uma distância constante do gerador de laser para a peça de trabalho e um único ponto para remover o efluente de corte.Requer menos óptica, mas requer mover a peça de trabalho.Esta máquina de estilo tende a ter o menor número de ópticas de entrega de feixe, mas também tende a ser a mais lenta.

Os lasers híbridos fornecem uma mesa que se move em um eixo (geralmente o eixo X) e move a cabeça ao longo do eixo mais curto (Y).Isso resulta em um comprimento de caminho de entrega de feixe mais constante do que uma máquina óptica voadora e pode permitir um sistema de entrega de feixe mais simples.Isso pode resultar em perda de energia reduzida no sistema de entrega e mais capacidade por watt do que as máquinas ópticas voadoras.

Os lasers ópticos voadores apresentam uma mesa estacionária e uma cabeça de corte (com feixe de laser) que se move sobre a peça de trabalho em ambas as dimensões horizontais.Os cortadores ópticos voadores mantêm a peça de trabalho estacionária durante o processamento e geralmente não exigem fixação do material.A massa em movimento é constante, portanto, a dinâmica não é afetada pela variação do tamanho da peça de trabalho.As máquinas de óptica voadora são o tipo mais rápido, o que é vantajoso ao cortar peças mais finas.[17]

Máquinas ópticas voadoras devem usar algum método para levar em conta a mudança do comprimento do feixe de corte de campo próximo (próximo ao ressonador) para corte de campo distante (longe do ressonador).Os métodos comuns para controlar isso incluem colimação, óptica adaptativa ou o uso de um eixo de comprimento de feixe constante.

Máquinas de cinco e seis eixos também permitem o corte de peças moldadas.Além disso, existem vários métodos de orientação do feixe de laser para uma peça moldada, mantendo uma distância de foco adequada e afastamento do bocal, etc.

Pulsando
Os lasers pulsados ​​que fornecem uma explosão de energia de alta potência por um curto período são muito eficazes em alguns processos de corte a laser, particularmente para perfuração, ou quando são necessários furos muito pequenos ou velocidades de corte muito baixas, pois se for usado um feixe de laser constante, o calor pode chegar ao ponto de derreter toda a peça cortada.

A maioria dos lasers industriais tem a capacidade de pulsar ou cortar CW (onda contínua) sob controle de programa NC (controle numérico).

Os lasers de pulso duplo usam uma série de pares de pulsos para melhorar a taxa de remoção de material e a qualidade do furo.Essencialmente, o primeiro pulso remove o material da superfície e o segundo evita que o material ejetado adira ao lado do furo ou corte.[18]