Máquinas de corte a laser 3D: Explorando as últimas tendências e o futuro

O corte a laser é a tecnologia mais antiga e mais utilizada no domínio do processamento a laser, representando mais de 70% de todo o domínio. É amplamente utilizado em indústrias como a maquinaria, automóveis, aeroespacial, têxteis ligeiros, alimentação e tratamento médico.

O corte a laser tradicional limitava-se principalmente ao corte plano. Com o desenvolvimento de corte a laser o processamento de peças tridimensionais de forma livre tornou-se gradualmente possível.

Desde que o primeiro sistema mundial de cinco eixos de CO₂ A máquina de corte a laser foi desenvolvida pela Prima em 1979, as máquinas de corte a laser 3D têm sido favorecidas pela sua forte flexibilidade, alta precisão, requisitos mínimos de equipamento de ferramentas e curto tempo de preparação da produção.

Atualmente, são amplamente utilizados para o processamento de peças de trabalho 3D em indústrias como a automóvel, a mecânica e a aeroespacial.

1. Tipos de máquinas de corte a laser 3D

Para garantir a qualidade do processamento e utilizar eficientemente a energia do feixe laser no corte a laser 3D, a cabeça de corte deve mover-se ao longo de uma trajetória espacial predeterminada, enquanto o eixo do feixe laser permanece perpendicular à superfície da peça a cortar.

Por conseguinte, as máquinas de corte a laser 3D requerem normalmente pelo menos 5 eixos, incluindo três eixos de movimento linear (X, Y, Z) e dois eixos rotativos (dois dos eixos A/B/C). Atualmente, existem duas estruturas básicas de máquinas de corte a laser 3D, tipo pórtico e estilo robótico, disponíveis no mercado comercial.

A primeira tem normalmente uma base ou mesa de trabalho que fornece movimento linear ao longo dos eixos X, Y e Z, enquanto a cabeça de corte fornece os restantes dois eixos de movimento rotativo (ou de oscilação).

Este último utiliza a transmissão por fibra (ou braço articulado com espelhos reflectores internos) para se integrar em robôs e efetuar o corte a laser 3D.

A comparação do desempenho dos dois é apresentada no Quadro 1.

Tabela 1: Comparação do desempenho de máquinas de corte de pórtico e robóticas.

O laser de alta potência é um componente essencial do equipamento de corte a laser. De acordo com o tipo de laser utilizado, as máquinas de corte a laser 3D são geralmente divididas em três categorias: máquinas de corte a laser de fibra, máquinas de corte a laser de CO₂ máquinas de corte a laser e máquinas de corte a laser YAG.

A principal comparação do desempenho dos três tipos de máquinas de corte a laser é apresentada no Quadro 2.

Quadro 2: Comparação do desempenho da fibra, CO₂e máquinas de corte a laser YAG.

Atualmente, no mercado comercial, as máquinas de corte a laser de fibra e as máquinas de corte a laser de CO2 são os principais tipos de máquinas de corte a laser 3D.

2. Situação da investigação no país e no estrangeiro

2.1 Máquina de corte a laser de fibra tridimensional

Em comparação com o CO₂ corte a laser e corte a laser YAG, o corte a laser de fibra tem certas vantagens em termos de eficiência de corte, eficiência de conversão de energia fotoeléctrica, estrutura do percurso ótico, custo de manutenção, precisão de corte, etc.

Nos últimos anos, o desenvolvimento de máquinas de corte por laser de fibra tem sido rápida, substituindo gradualmente as tradicionais máquinas de corte a laser de CO2 e tornando-se a nova corrente dominante do mercado.

Atualmente, os fabricantes estrangeiros mais conhecidos que produzem máquinas de corte a laser de fibra tridimensional incluem a alemã Trumpf, a italiana Prima Power, a americana PREISER, bem como as japonesas Komatsu, NTC, Koike, Mitsubishi, AMADA e MAZAK.

Entre elas, a TruLaser Cell 3000, TruLaser Cell 5030, TruLaser Cel 8030 da Trumpf, a Rapido da Prima Power, a Laserdyne 75G, a série TLH-N da Komatsu, a LCG3015AJ II da AMADA e outros produtos de máquinas de corte a laser de fibra tridimensional têm grande visibilidade.

A máquina-ferramenta de processamento a laser de cinco eixos TruLaser Cell 3000 adopta uma estrutura modular e pode utilizar uma variedade de lasers. Pode implementar processamento como soldadura, corte e revestimento a laser substituindo a cabeça de processamento a laser. Também é fácil de conseguir a automação da máquina-ferramenta e pode atender às necessidades de produção em massa. A precisão de posicionamento é relativamente alta, com precisão de posicionamento do eixo XNZ de ± 0,015mm e precisão de posicionamento do eixo A, C de 0,02°.

A máquina de corte a laser TruLaser Cell 8030 3D é adequada para o corte rápido de painéis laterais de veículos termoformados em grande escala. A sua gama de movimentos do eixo X/Y/Z é de 3000mm/1300mm/600mm, e a aceleração do eixo é de 4g. Também adopta uma mesa de processamento rotativo optimizado, o que reduz significativamente o tempo de não-produção e melhora a eficiência e produtividade, como mostrado na Figura 1.

A máquina de corte a laser Rapido 3D de 5 eixos utiliza um laser de fibra de 2,0-4,0 kW, que proporciona um processamento flexível para vários tipos de corte e aplicações de soldadura. A máquina possui um sistema de prevenção de colisões, bem como uma transmissão direta que elimina o recuo e o desgaste.

A máquina de processamento laser multi-eixo Laserdyne 795 utiliza superfícies de maquinação de alta precisão e parafusos de acionamento de grande diâmetro e alta rigidez, proporcionando uma elevada precisão mecânica e tornando-a adequada para aplicações de corte a alta velocidade. É também compatível com diferentes tipos de laser como a fibra, o CO₂e YAG, como se mostra na Imagem 2.

A série TLH-N de ultra-alta velocidade 3D 5 eixos A máquina de corte a laser de controlo apresenta elevada rigidez, alta velocidade (velocidade de deslocação rápida do eixo X/Y/Z de 100m/min, velocidade de deslocação rápida do eixo A/C de 540°/s), boa operacionalidade e design aberto de um lado com elevada acessibilidade.

A máquina de processamento a laser de fibra de alta eficiência LCG3015AJⅡ tem uma velocidade transversal rápida de até 170m / min e uma taxa de avanço de usinagem de 120m / min. Possui alta eficiência de produção, boa escalabilidade e uma nova solução de melhoria digital para processamento de chapas metálicasA melhoria do processo e a reforma da fábrica, como mostra a imagem 3.

A indústria de laser industrial da China começou relativamente tarde, e existe uma lacuna significativa na investigação e desenvolvimento da tecnologia de corte a laser comercial em comparação com os países desenvolvidos. Com o governo chinês na lista de tecnologia de processamento laser como um projeto-chave de investigação científica e tecnológica, tem havido uma onda de interesse na indústria e cada vez mais empresas e instituições de investigação iniciaram investigação tecnológica relevante.

Atualmente, várias empresas chinesas lançaram produtos de máquinas de corte a laser de fibra 3D, incluindo a Hans Laser, a HG Laser e a Chutian Laser, Bystronic Dne, Gweike e LeMing Laser.

Entre eles, a máquina de corte a laser de fibra HyRobot C20 da Hans' Laser, a máquina de corte a laser de 5 eixos 3D para automóveis AUTOBOT da HG Laser, a máquina de corte a laser de 5 eixos 3D da série SF, a máquina de corte a laser de fibra de mesa de troca automática FC-CBD da Dne Laser, a máquina de corte a laser de 5 eixos 3D para automóveis FK3015S da Focus Laser, a máquina de corte a laser de 5 eixos 3D STK-S-3015 da Stark e o equipamento de corte a laser inteligente multieixos LMR 3D da LeiMing Laser são produtos bem conhecidos.

Atualmente, os principais indicadores técnicos do mercado interno Laser de fibra 3D Os produtos de máquinas de corte não são muito diferentes dos produtos estrangeiros tradicionais, como se pode ver no quadro 3.

Tabela 3: Principais indicadores técnicos das máquinas de corte a laser de fibra 3D.

2.2. CO tridimensional₂ Máquina de corte a laser

CO₂ As máquinas de corte a laser são atualmente muito utilizadas para o processamento de aço inoxidável com uma espessura não superior a 12 mm e de materiais não metálicos com uma espessura não superior a 25 mm. Têm sido amplamente utilizadas no corte e processamento de peças interiores e exteriores de automóveis e de peças não metálicas noutras indústrias.

Atualmente, os principais fabricantes estrangeiros de sistemas de captura e armazenagem de CO₂ As máquinas de corte a laser incluem a alemã Trumpf, a italiana Prima Power, e as japonesas Komatsu e NTC, entre outras. Entre elas, a Tru Laser Cell 7040 tridimensional de CO₂ da Trumpf, a máquina de corte a laser de 5 eixos 3D Optimo da Prima Power, a máquina de corte a laser de controlo de 5 eixos 3D da série TLM da Komatsu e a máquina de corte a laser de 5 eixos 3D TLM610 com uma mesa de trabalho de troca dupla da NTC são produtos bem conhecidos.

A TruLaser Cell 7040 tridimensional de CO₂ A máquina de corte a laser tem um curso do eixo XY/Z de 4000mm × 2000mm × 1000mm, curso do eixo B/C de ±135° e n × 360°, e uma aceleração máxima do eixo de 4g. Tem múltiplas áreas de trabalho que podem ser seleccionadas convenientemente de acordo com as necessidades, e podem ser utilizados vários lasers. Pode realizar uma variedade de técnicas de processamento, como soldadura, corte e revestimento a laser, substituindo a cabeça de processamento a laser, como mostrado na Imagem 4.

A máquina de corte a laser de 5 eixos Optimo 3D também é adequada para cortar e soldar peças de grandes dimensões, com um curso do eixo XNZ de 4500 mm × 2500 mm × 1020 mm e curso do eixo B/A de ±135° e 360°. Utiliza um fluxo axial rápido de 2,5-4kW e um sistema de controlo de CO₂ laser. Como mostra a imagem 5.

A máquina de corte a laser TLM610 3D de 5 eixos adopta uma base do tipo pórtico, uma mesa de trabalho móvel, uma cabeça de corte de ponto único e uma caixa de controlo de balancim com tecnologia patenteada, uma estrutura especial de bocal de corte, TDLC-04R de alto desempenho Sistema CNCe oferece programação offline.

Atualmente, as emissões domésticas de CO₂ O corte a laser é utilizado principalmente em produtos de máquinas de corte 2D, como a máquina de corte a laser MS-1380 desenvolvida pela Mingsheng Laser Technology Co., Ltd. e a máquina de corte a laser ZT-CC1610 desenvolvida pela Zongtong Laser Technology Co., Ltd. Atualmente, não existem máquinas comerciais de corte a laser 3D de CO₂ produtos de máquinas de corte a laser disponíveis.

3. Tendências de desenvolvimento

(1) Alta potência

O aumento da potência do laser pode melhorar as capacidades de processamento e a eficiência, reduzindo simultaneamente os custos de processamento. Com a diminuição do custo dos lasers, a potência dos principais produtos de corte 3D As máquinas aumentaram de 2kW e 3kW há vários anos para 4kW e 6kW.

Hoje em dia, surgiram até produtos de nível megawatt, e acredita-se que os produtos de nível megawatt se tornarão a corrente principal do mercado nos próximos anos.

(2) Alta velocidade e alta precisão

 Melhorar a velocidade e a precisão do posicionamento ajuda a melhorar a eficiência da maquinagem e a satisfazer os requisitos de desempenho das máquinas de engenharia e de outros produtos de elevado valor acrescentado, aumentando assim a competitividade do produto.

Atualmente, a velocidade de posicionamento dos produtos das máquinas de corte convencionais é de 100 m/min, enquanto a velocidade de posicionamento mais elevada das máquinas de corte de alta velocidade pode atingir 280 m/min.

(3) Inteligência

A automatização e a inteligência no funcionamento são requisitos da Indústria 4.0 e do fabrico inteligente. Cada vez mais empresas prestam atenção à inteligência das máquinas-ferramentas, como os sistemas abertos, a descarga automática, o autodiagnóstico de falhas, a gestão inteligente dos dados do processo, o controlo remoto, etc.

(4) Diversificação de funções

A expansão da gama de maquinagem das máquinas-ferramentas pode aumentar a flexibilidade e a adaptabilidade das máquinas-ferramentas, aumentando assim a competitividade dos produtos. Muitos produtos avançados de máquinas de corte 3D no estrangeiro têm uma vasta gama de processos.

Por exemplo, as máquinas de corte a laser 3D TruLaser Cel3000 e TruLaser CⅡ7040 da Trumpf têm funções de corte 3D e deposição de metal de soldadura. A máquina de corte a laser Rapido 3D de 5 eixos da Prima Power pode utilizar vários lasers para satisfazer as necessidades de vários processos de soldadura e corte.

4. Conclusão

No contexto da transformação do processamento tradicional para o fabrico de alta qualidade no sector industrial da China, a indústria de corte a laser continuará a manter uma tendência de desenvolvimento a alta velocidade.

No futuro, o equipamento de corte a laser 3D evoluirá para alta potência, alta velocidade e alta precisão, inteligência e diversificação de funções.

Atualmente, em comparação com países desenvolvidos como a Alemanha, o Japão e a Itália, existe ainda uma grande diferença entre a China em termos de produtos de máquinas de corte a laser 3D, bem como de componentes essenciais como cabeças de corte a laser e lasers de alta potência, e domínios técnicos fundamentais como a investigação e desenvolvimento de máquinas de corte a laser e a investigação e desenvolvimento de sistemas CNC de elevado desempenho.

Por conseguinte, o pessoal científico e tecnológico deve continuar a efetuar uma investigação aprofundada.