Já alguma vez se perguntou como é que os lasers conseguem cortar materiais com tanta precisão? Este artigo explora o fascinante mundo dos lasers de nanossegundos, picossegundos e femtossegundos. Ficará a saber como funcionam estes lasers, as suas vantagens únicas e as suas vastas aplicações no processamento de materiais. Mergulhe para descobrir os segredos por detrás destas poderosas ferramentas!
Comecemos por converter as unidades de tempo.
Com esta compreensão das unidades de tempo, podemos ver que os lasers de femtossegundos produzem impulsos extremamente curtos.
Nos últimos anos, os impulsos ultracurtos processamento a laser A tecnologia tem registado rápidos avanços.
Os lasers desempenham um papel crucial no fabrico moderno e no processamento de materiais, sendo a sua eficácia largamente determinada pela duração do impulso. Esta secção explora três tipos principais de lasers ultra-rápidos: nanossegundos, picossegundos e femtossegundos, cada um deles distinguido pelas suas durações de impulso cada vez mais curtas e características únicas de interação com os materiais.
Os lasers de nanossegundos, com durações de impulso de 10-⁹ segundos, têm sido amplamente adoptados em aplicações industriais há décadas. Estes lasers oferecem um equilíbrio entre potência e precisão, tornando-os adequados para uma vasta gama de tarefas de processamento de materiais, incluindo corte, perfuração e marcação. No entanto, a duração relativamente mais longa dos impulsos pode induzir zonas afectadas pelo calor (HAZ) significativas em materiais sensíveis, conduzindo potencialmente a danos térmicos, microfissuras ou modificações indesejadas do material.
Os lasers de picossegundos, que funcionam com impulsos de 10-¹² segundos, representam um avanço significativo no processamento laser de precisão. A duração reduzida do impulso minimiza os efeitos térmicos, permitindo uma deposição de energia e remoção de material mais controladas. Isto resulta numa ablação mais limpa, arestas de características mais nítidas e danos colaterais reduzidos. Os lasers de picossegundos destacam-se em aplicações que requerem elevada precisão, como a microusinagem, a modelação de películas finas e o processamento de materiais sensíveis ao calor, como polímeros e cerâmicas.
Na vanguarda da tecnologia laser ultra-rápida, os lasers de femtossegundo fornecem impulsos na ordem dos 10-¹⁵ segundos. Estes impulsos incrivelmente curtos permitem um fenómeno conhecido como "ablação a frio". A energia do laser é fornecida mais rapidamente do que o tempo de relaxamento térmico do material, causando a vaporização direta da área alvo sem uma condução de calor significativa para as regiões circundantes. Esta caraterística única permite uma precisão sem precedentes na remoção de material, praticamente sem HAZ, tornando os lasers de femtossegundos ideais para aplicações ultra-precisas no processamento de semicondutores, fabrico de dispositivos biomédicos e fabrico de nanomateriais.
A progressão dos lasers de nanossegundos para os lasers de femtossegundos representa uma mudança de paradigma nos mecanismos de interação laser-material. Enquanto os lasers de nanossegundos se baseiam principalmente em processos fototérmicos, os lasers de picossegundos e femtosegundos utilizam cada vez mais interacções fotoablativas e fotoquímicas. Esta mudança resulta numa maior precisão, em efeitos térmicos reduzidos e na capacidade de processar uma gama alargada de materiais, incluindo substâncias tradicionalmente difíceis, como materiais transparentes e ligas ultra-duras.
Em resumo, os lasers de nanossegundos (10-⁹ s), picossegundos (10-¹² s) e femtosegundos (10-¹⁵ s) oferecem um espetro de capacidades no processamento laser ultrarrápido. A escolha entre estas tecnologias depende dos requisitos específicos da aplicação, equilibrando factores como a velocidade de processamento, a precisão, a sensibilidade do material e a relação custo-eficácia. À medida que a tecnologia laser continua a avançar, a integração destes lasers ultra-rápidos com uma sofisticada modelação do feixe, monitorização do processo em tempo real e sistemas de controlo adaptativos está a ultrapassar os limites do que é possível no fabrico avançado e no processamento de materiais.
Há muito tempo que se tenta utilizar lasers para a micro-usinagem.
No entanto, a longa largura de pulso e a baixa intensidade do laser dos lasers tradicionais faziam com que o material derretesse e evaporasse continuamente.
Embora o feixe de laser pudesse ser focado num pequeno ponto, o impacto térmico resultante no material era ainda significativo, limitando a precisão da maquinação.
Para melhorar a qualidade do processamento, foi necessário reduzir o efeito do calor.
Quando um impulso laser à escala de picossegundos actua sobre o material, o efeito de processamento muda drasticamente.
Com um aumento acentuado da energia do impulso, a elevada densidade de potência é suficiente para remover os electrões exteriores.
A interação entre o laser e o material é tão curta que os iões são eliminados da superfície do material antes de a energia ser transferida para os materiais circundantes, evitando o impacto térmico.
É por esta razão que o processo é também designado por "trabalho a frio".
Graças às vantagens do trabalho a frio, os lasers de impulsos curtos e ultracurtos entraram na produção e nas aplicações industriais.
Processamento laser: impulsos longos vs impulsos ultracurtos
No processamento de impulsos ultracurtos, a energia é rapidamente injectada numa pequena área de ação.
A elevada densidade de energia depositada num instante altera o modo de absorção e movimento dos electrões, evitando os efeitos da absorção linear do laser, da transferência de energia e da difusão. Isto altera fundamentalmente o mecanismo de interação entre o laser e o material.
Posição após o processamento do laser de impulsos longos
Posição após o processamento de impulsos laser ultra-rápidos
O processamento a laser engloba o corte e a soldadura de alta potência.
Os vários métodos de processamento a laser, tais como perfuraçãoA microusinagem é utilizada principalmente para os seguintes fins: traçar, cortar, texturizar, decapar e isolar:
| Classificação | Onda contínua (CW) | Quase-contínuo （QCW） | Impulso curto （Q-Switched） | Impulso ultracurto （Modo bloqueado） |
|---|---|---|---|---|
| Forma de saída | Saída contínua | Milissegundo-Microssegundo （ms-μs） | Nanossegundo (ns) | Picosegundo ~ Femtosegundo （ps-fs） |
| Aplicação | Soldadura a laser corte a laser Revestimento a laser | Perfuração a laser Tratamento térmico | Marcação a laser Perfuração a laser Tratamento médico com laser Prototipagem rápida a laser | Micro nano maquinagem Laser médico fino Perfuração de precisão Corte de precisão |
Na conceção de placas de circuitos, os substratos cerâmicos estão a ser cada vez mais utilizados como substitutos dos substratos plásticos tradicionais devido à sua melhor condutividade térmica.
Para ligar componentes electrónicos, é normalmente necessário perfurar centenas de milhares de orifícios de dimensão micrométrica na placa.
Assim, é essencial garantir que a estabilidade do substrato não seja afetada pelo calor gerado durante o processo de perfuração.
Os lasers de picossegundos são uma ferramenta ideal para esta aplicação.
Ao utilizar a perfuração de impacto, os lasers de picossegundos podem completar o processamento do furo e manter a uniformidade do furo.
Para além das placas de circuitos, os lasers de picossegundos também podem ser utilizados para fazer furos de alta qualidade em materiais como películas de plástico, semicondutores, películas de metal e safiras.
Por exemplo, quando se perfura um furo de 100 micrómetroschapa de aço inoxidável espessa utilizando 10000 impulsos de lasers de 3,3 nanossegundos ou 200 femtosegundos perto do limiar de ablação:
As linhas podem ser geradas por varrimento e sobreposição de impulsos laser.
Ao efetuar vários exames, é possível penetrar profundamente no interior do material cerâmico até que a profundidade da linha atinja 1/6 da espessura do material.
Os módulos são então separados do substrato cerâmico ao longo destas linhas traçadas, um processo conhecido como traçado.
Outro método de separação é o corte por ablação a laser de impulsos ultracurtos, também conhecido como corte por ablação.
Neste processo, o laser remove o material através da ablação até o material ser cortado.
Uma vantagem desta tecnologia é a sua maior flexibilidade em termos de forma e tamanho do furo maquinado.
Todas as etapas de processamento podem ser efectuadas com um laser de picossegundos.
É também de salientar as diferenças nos efeitos dos lasers de picossegundos e nanossegundos nos materiais de policarbonato.
Outra aplicação comum na micro-usinagem é a remoção precisa de revestimentos sem causar qualquer dano ao material de base.
A ablação pode variar desde uma linha com alguns microns de largura até uma grande área que cobre vários centímetros quadrados.
Uma vez que a espessura do revestimento é normalmente muito mais fina do que a largura da ablação, o calor não pode ser conduzido para os lados. Neste caso, pode ser utilizado um laser de largura de impulso de nanossegundos.
A combinação de laser de alta potência média, fibra condutora quadrada ou retangular e distribuição de intensidade de luz plana torna a ablação de superfície a laser adequada para aplicações industriais.
Por exemplo, o laser Trumicro 7060 da empresa Trumpf é utilizado para remover o revestimento do vidro de células solares de película fina.
O mesmo laser pode também ser utilizado na indústria automóvel para remover revestimentos anti-corrosão e preparar a soldadura subsequente.
A gravação consiste na criação de formas tridimensionais através da ablação de materiais.
Embora a dimensão da ablação possa exceder o âmbito tradicional da microusinagem, a precisão exigida ainda a coloca no domínio das aplicações laser.
Os lasers de picossegundos podem ser utilizados para processar os bordos do diamante policristalino ferramentas para fresagem máquinas.
Os lasers são uma ferramenta ideal para maquinar diamantes policristalinos, que são materiais extremamente duros utilizados para fazer arestas de fresa.
As vantagens da utilização de lasers incluem o processamento sem contacto e a elevada precisão de maquinação.
A microusinagem tem uma vasta gama de aplicações e está a ser cada vez mais utilizada para produzir uma variedade de necessidades diárias.
O processamento a laser é um método sem contacto e oferece várias vantagens significativas, incluindo menos etapas de pós-processamento, boa controlabilidade, facilidade de integração, elevada eficiência de processamento, baixa perda de material e impacto ambiental mínimo.
A tecnologia tem-se generalizado em indústrias como a automóvel, a eletrónica, os electrodomésticos, a aviação, a metalurgia e o fabrico de máquinas, desempenhando um papel cada vez mais importante na melhoria da qualidade dos produtos, na produtividade do trabalho e na automatização, reduzindo simultaneamente o consumo de materiais.
Os lasers de nanossegundos, picossegundos e femtossegundos diferem principalmente na duração dos impulsos. Um nanossegundo (ns) é 10-9 segundos, um picossegundo (ps) é 10-12 segundos e um femtossegundo (fs) é 10-15 segundos. Estas durações de impulsos ultra-curtas são fundamentais para determinar as aplicações e capacidades destes lasers.
Os lasers de femtosegundo são adequados para aplicações em oftalmologia e processamento preciso de materiais devido aos seus impulsos extremamente curtos e danos térmicos reduzidos. Os lasers de picossegundos são semelhantes, oferecendo elevada precisão em tarefas como a micro-usinagem ou a remoção de tatuagens. Os lasers de nanossegundos, com impulsos de maior duração, são utilizados em aplicações em que é necessária uma maior transferência de energia.
Em resumo, a escolha entre lasers de nanossegundos, picossegundos e femtossegundos depende dos requisitos específicos de várias aplicações. Estes lasers ultra-rápidos oferecem uma gama de possibilidades no que diz respeito à precisão, transferência de energia e redução de danos térmicos, tornando-os ferramentas indispensáveis em várias indústrias e domínios.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
PT 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT_BR 
RU 
KO