Você já pensou em como os lasers revolucionam a fabricação? Do corte de precisão à prototipagem rápida, a tecnologia a laser transformou os processos industriais, tornando-os mais rápidos, mais limpos e mais eficientes. Neste artigo, exploramos cinco aplicações inovadoras da tecnologia a laser em vários setores, destacando seu impacto na produtividade e na qualidade. Descubra como os lasers não são apenas ferramentas, mas inovações fundamentais que impulsionam os avanços industriais modernos. Ao final, você entenderá por que adotar a tecnologia laser é fundamental para manter-se competitivo no mercado atual.
Em meados do século XX, a tecnologia a laser surgiu como uma inovação revolucionária. Ao longo de décadas de pesquisa rigorosa, desenvolvimento e refinamento por gerações de cientistas e engenheiros, a tecnologia a laser evoluiu de uma curiosidade de laboratório para uma ferramenta versátil e indispensável em vários setores. Essa jornada do conceito teórico à aplicação prática foi marcada por marcos significativos na qualidade do feixe, na potência de saída e no controle de precisão.
No século 21, a tecnologia a laser, especialmente o processamento a laser em aplicações industriais, revolucionou os processos de fabricação. Sua adoção generalizada resultou em benefícios econômicos e impactos sociais significativos. Na fabricação de metais, o corte e a soldagem a laser melhoraram consideravelmente a precisão, a velocidade e a utilização de materiais. Por exemplo, os sistemas de laser de fibra agora atingem velocidades de corte de até 40 m/min em chapas finas de metal com larguras de corte tão estreitas quanto 0,1 mm, reduzindo significativamente o desperdício e aumentando a produtividade. Além disso, a integração da tecnologia a laser com o controle numérico computadorizado (CNC) e a robótica possibilitou o processamento 3D complexo, abrindo novas possibilidades no design e na personalização de produtos.
Além de suas aplicações industriais diretas, a tecnologia laser tem sido um catalisador para avanços em vários campos científicos, incluindo espectroscopia, metrologia e ciência dos materiais. Na economia em geral, ela gerou novos setores, desde a manufatura aditiva até dispositivos médicos de alta precisão, impulsionando a inovação e criando empregos de alto valor. À medida que os sistemas a laser se tornam mais econômicos e eficientes em termos de energia, sua função na promoção de práticas de fabricação sustentáveis e na transição para o setor 4.0 continua a se expandir, destacando seu papel fundamental na formação do futuro da tecnologia e do setor.
A tecnologia de processamento a laser, ilustrada na Figura 1, aproveita o poder da energia luminosa concentrada para criar um feixe de alta densidade de energia. Esse feixe é gerado por uma fonte de laser e focalizado com precisão por meio de uma série de componentes ópticos, incluindo lentes de colimação e focalização. O feixe de laser focalizado resultante interage com o material-alvo no ponto focal, onde a densidade de energia atinge o máximo.
Essa tecnologia avançada explora os fenômenos físicos exclusivos que ocorrem durante as interações entre o laser e o material, como absorção, reflexão e efeitos térmicos. Essas interações permitem uma ampla gama de processos de fabricação, incluindo corte de precisão, soldagem de alta velocidade, modificação de superfície, microperfuração e manufatura aditiva. O processamento a laser é aplicável a materiais metálicos e não metálicos, oferecendo uma versatilidade sem igual na fabricação moderna.
Como pedra angular do setor 4.0, a tecnologia de processamento a laser tornou-se indispensável em vários setores, incluindo automotivo, eletrônico, aeroespacial, metalurgia e fabricação de máquinas de precisão. Sua adoção levou a avanços significativos na qualidade do produto, na eficiência da fabricação e na automação de processos. Além disso, os processos baseados em laser geralmente resultam em menos desperdício de material, menor consumo de energia e impacto ambiental mínimo em comparação com os métodos de fabricação tradicionais.
Embora o processamento a laser abranja um amplo espectro de aplicações, três técnicas se destacam por sua ampla adoção industrial e impacto transformador:
Cada uma dessas aplicações aproveita as características exclusivas da interação entre o laser e o material para obter resultados que muitas vezes são inatingíveis por meio de processos de fabricação convencionais.
Técnicas de corte tradicionais, como corte a gásTodos os tipos de corte, como o corte por usinagem, o corte por blanking e o corte por plasma, têm suas limitações. Apesar de oferecerem velocidades de corte rápidas e a capacidade de cortar materiais mais espessos, a precisão do tamanho do corte é geralmente ruim. Isso resulta em custos de corte mais altos e despesas adicionais de processamento.
O corte por usinagem oferece alta precisão, mas sua corte lento limita sua capacidade de cortar curvas complexas. Além disso, ocorre uma perda significativa de material durante o corte.
O corte em branco é mais eficiente e econômico, mas sua qualidade de processamento é limitada e seu escopo de aplicação é restrito. A qualidade do corte é inferior, especialmente no processamento de chapas grossas e formas curvas complexas.
Enquanto corte a plasma é mais eficiente e produz uma seção de corte melhor do que os outros métodos, mas sua precisão de corte é limitada ao nível milimétrico. Por isso, é adequado apenas para usinagem de desbaste e semiacabamento.
Fig.2 Corte a laser
Em comparação com a tecnologia de corte tradicional, as vantagens da tecnologia de corte a laser (figura 2) são óbvias:
O vantagens do corte a laser são especialmente perceptíveis na usinagem de curvas. Em comparação com o corte de blanking, a superfície produzida pelo corte a laser é lisa e não apresenta marcas óbvias de lâmina em peças curvas. Além disso, como a placa permanece estacionária durante o processamento, ela elimina o risco de arranhões causados pelo movimento.
O corte a laser funciona direcionando uma luz focada e de altalaser de densidade de potência O feixe de luz é direcionado para a peça de trabalho, fazendo com que o material derreta, vaporize, ablacione ou incendeie rapidamente. Em seguida, a peça de trabalho é cortada soprando o material derretido usando um fluxo de ar de alta velocidade ao longo do mesmo eixo do feixe.
O corte a laser é considerado um dos métodos de corte térmico.
O corte a laser pode ser dividido em quatro categorias:
(1) Corte por vaporização a laser
A vaporização a laser é um processo em que a peça de trabalho é aquecida por um feixe de laser com alta densidade de energia. A temperatura do material aumenta rapidamente e atinge o ponto de ebulição em um curto período de tempo, fazendo com que o material vaporize e forme vapor. O vapor é expelido rapidamente, resultando em uma incisão no material. Esse método é usado principalmente para cortar metais extremamente finos e materiais não metálicos.materiais metálicos.
(2) Corte por fusão a laser
No corte por fusão a laser, o material metálico é derretido por aquecimento a laser. Um gás não oxidante, como Ar, He ou N2, é então pulverizado pelo bocal ao longo do mesmo eixo do feixe. O metal líquido é expelido pela forte pressão do gás, criando uma incisão. Esse método requer apenas 1/10 da energia necessária para a vaporização, pois o metal não precisa ser completamente vaporizado. É usado principalmente para cortar metais não oxidáveis ou ativos, como o aço inoxidável, titânioalumínio e ligas.
(3) Corte a laser com oxigênio
O corte a laser com oxigênio opera com um princípio semelhante ao corte com oxiacetileno. O laser é usado como fonte de pré-aquecimento, e o oxigênio ou outros gases ativos são usados como gás de corte. O gás produzido pelo jato reage com a oxidação, gerando uma grande quantidade de calor. O óxido fundido e o material derretido são expelidos da área de reação, resultando em uma incisão no metal. O corte a laser com oxigênio requer apenas metade da energia necessária para o corte por fusão, mas tem uma velocidade de corte muito mais rápida. É usado principalmente para cortar aço carbono, aço titânio, aço para tratamento térmico e outros materiais metálicos facilmente oxidados.
(4) Escaneamento a laser e controle de ruptura
No laser scribing, o laser de alta densidade de energia escaneia a superfície de materiais frágeis, aquecendo o material em uma pequena ranhura. A aplicação de pressão faz com que o material frágil se quebre ao longo da ranhura. Entre os três primeiros métodos de corte mencionados, o laser scribing e o controle de ruptura são menos usados.
Atualmente, o corte a laser é mais eficaz para cortar metal preto, com velocidade de corte rápida e capacidade de cortar até uma espessura de 20 mm ou mais. Entretanto, devido ao efeito de reflexão da estrutura molecular dos metais não ferrosos no feixe de laser, o efeito de corte nesses materiais é um pouco mais fraco. A máquina deve ser equipada com um refletor.
De acordo com as estatísticas, a espessura máxima que pode ser cortada para ligas de alumínio não é mais do que a metade do que o do metal preto, e o efeito de corte nas ligas de cobre, especialmente o cobre, é ainda pior.
O núcleo da tecnologia de corte a laser é o gerador de laser, que vem em duas formas: Laser de CO2 e gerador de laser de fibra.
Gerador de laser de CO2: O gerador de laser de CO2 é gerado pela descarga de uma mistura de CO2, He e N2 na cavidade do laser sob alta pressão. Esse processo excita os átomos da mistura para liberar energia, que é então emitida na forma de fótons ou elétrons para criar o laser. O laser emitido pelo laser de CO2 é luz visível, que pode causar danos leves à retina e à pele. Portanto, é aconselhável que os operadores usem óculos de proteção durante o uso.
Gerador de laser de fibra: Um gerador de laser de fibra usa uma fibra de vidro dopada com elementos de terras raras como meio de ganho. Sob a ação da luz da bomba, uma alta densidade de potência pode ser facilmente formada dentro da fibra óptica, o que faz com que o nível de energia do laser da substância de trabalho reverta o número de partículas. Um loop de feedback positivo é adicionado para formar a saída do oscilador a laser. A saída não é luz visível, o que pode causar danos graves à retina e à pele, portanto, o operador deve usar óculos de proteção especiais durante a operação.
O laser de CO2 tem uma estrutura de caminho óptico mais complexa e maior perda de lente óptica, com requisitos ambientais mais altos (menos poeira). A máquina deve ser isolada de focos de terremoto e mantida em um ambiente seco e com temperatura constante. O laser de fibra, por outro lado, tem uma estrutura de caminho óptico simples com requisitos ambientais mais baixos (alta tolerância a poeira, vibração, choque, temperatura e umidade). O laser de fibra é mais rápido ao cortar chapas finas, enquanto o laser de CO2 é mais forte ao cortar chapas grossas. O laser de CO2 não pode cortar placas de metal de alto reflexo, mas o laser de fibra pode cortar placas de cobre finas.
A soldagem a laser (figura 3) é um campo importante da tecnologia a laser.
Fig.3 Soldagem a laser
A soldagem a laser é um novo tipo de soldagem que funciona com o uso de pulsos de laser de alta energia para aquecer pequenas áreas do material. A energia do radiação laser se difunde por condução de calor no material, fazendo com que ele derreta e forme uma poça de fusão específica. Esse método é usado principalmente para soldar materiais de paredes finas e peças de precisão, e pode ser usado para vários Tipos de soldagem como soldagem por pontos, soldagem de topo, soldagem de pilha e soldagem de vedação.
Os principais recursos incluem:
A soldagem a laser é amplamente utilizada em vários campos, especialmente na fabricação de trens de alta velocidade e automóveis, devido aos seus inúmeros benefícios. Esses benefícios incluem:
(1) Entrada mínima de calor, com uma pequena faixa de variação metalográfica na área de efeito térmico e deformação mínima causada pela condução de calor.
(2) A capacidade de confirmar e reduzir o tempo necessário para a espessura soldagem de chapaseliminando, inclusive, a necessidade de metal de adição.
(3) Não há necessidade de eletrodos, sem preocupações com contaminação ou danos. Além disso, ele não pertence ao contato processo de soldagemminimizando a perda e a deformação do dispositivo de fixação.
(4) O feixe de laser pode ser facilmente focalizado, alinhado e guiado por instrumentos ópticos, com a capacidade de posicioná-lo a uma distância adequada da peça de trabalho e redirecioná-lo em torno de obstáculos.
(5) A capacidade de colocar a peça de trabalho em espaços fechados controlados por um ambiente de vácuo ou gás interno.
(6) O feixe de laser pode ser focado em pequenas áreas, o que o torna ideal para soldar peças pequenas e espaçadas.
(7) Capaz de soldar uma ampla variedade de materiais e costurar vários materiais heterogêneos.
(8) Fácil de soldar de forma rápida e automática, ou controlada por tecnologia digital ou computadorizada.
(9) Ao soldar material fino ou arame de diâmetro fino, não será tão fácil quanto soldagem a arco.
(10) Não é afetado por campos magnéticos e é capaz de alinhar com precisão as peças de soldagem.
(11) A capacidade de soldar dois metais com propriedades diferentes, como resistências diferentes.
(12) Capacidade de atingir uma proporção de solda em profundidade de 10:1 na soldagem perfurada.
(13) A capacidade de transferir o feixe de laser para várias estações de trabalho.
Devido às características acima da soldagem a laser, a soldagem a laser é amplamente utilizada no campo da fabricação de veículos civis.
A soldagem a laser é o principal processo de soldagem na fabricação de trens de alta velocidade e automóveis.
Apesar de seus benefícios, a soldagem a laser também tem várias desvantagens que devem ser consideradas. Essas desvantagens incluem:
(1) A necessidade de posicionamento preciso das peças de soldagem dentro da faixa de foco do feixe de laser.
(2) A necessidade de grampos que garantam que a posição final da solda esteja alinhada com o ponto de solda que será impactado pelo feixe de laser.
(3) Espessura máxima soldável limitada, sendo que a soldagem a laser não é adequada para materiais com espessura de penetração superior a 19 mm.
(4) O impacto da soldagem a laser nas propriedades de materiais de alta refletância e alta condutividade térmica, como alumínio, cobre e ligas.
(5) O uso de um controlador de plasma para remover o gás ionizado em torno da poça de fusão ao usar a soldagem com feixe de laser de alta energia.
(6) Baixa eficiência de conversão de energia, geralmente menor que 10%.
(7) A rápida solidificação do cordão de solda que pode levar à porosidade e à fragilização.
(8) Alto custo.
O alto custo do equipamento de soldagem a laser é uma limitação significativa e restringe seu uso generalizado.
A gravação a laser envolve o uso de um feixe de laser de alta densidade de energia controlado por um computador para derreter ou vaporizar instantaneamente a superfície de um produto, criando o texto ou o logotipo desejado, conforme mostrado na Figura 4.
Fig.4 Letras a laser
A gravação a laser também é chamada de marcação a laser.
Características do laser marcação:
O material que pode ser marcado com gravação a laser inclui números, letras, caracteres chineses, imagens gráficas, códigos de barras e muito mais.
A gravação a laser é um método de marcação avançado e amplamente utilizado, adequado para a produção moderna e de alta velocidade.
Conforme mostrado na Tabela 1, uma comparação de várias técnicas de marcação revela que as vantagens da tecnologia de marcação a laser são claras.
Tabela 1. Comparação de várias técnicas de marcação
| Tecnologia de marcação | Desempenho | Efeito e precisão | Cor da marcação | Alterações no gráfico | Consumíveis |
|---|---|---|---|---|---|
| Marcação a laser | Bom | Alta precisão e bom efeito | Determinado pelo material | À vontade | Não |
| Gravura química | Bom | Baixa precisão | Cor do material | Não é fácil | Sim |
| Impressão com tinta | Pior | Alta precisão | Qualquer cor | Fácil | Sim |
| Gravação mecânica | Melhor | Baixa precisão | Cor do material | À vontade | Sim |
| Prensa mecânica | Pior | Baixa precisão | Cor do material | Não é fácil | Sim |
A prototipagem rápida a laser (conforme mostrado na Figura 5) representa uma mudança significativa na tecnologia de fabricação moderna.
Ele representa uma expansão da tecnologia a laser para aplicações industriais.
Fig.5 Tecnologia de prototipagem rápida a laser
A concorrência no setor de manufatura se intensificou com a aceleração do processo de integração do mercado global, e a velocidade de desenvolvimento de produtos se tornou a principal contradição competitiva. Para atender às necessidades em constante mudança dos usuários, o setor de fabricação exige uma tecnologia mais flexível, que permita a produção de pequenos lotes ou até mesmo de uma única peça sem aumentar o custo do produto.
A tecnologia de Prototipagem Rápida (RP) é um método de fabricação que constrói material camada por camada ou, de forma mais ampla, gráficos 3D projetados por computador. A alta temperatura produzida pelo laser é usada para sinterizar o pó metálico em gráficos 3D, resultando em componentes metálicos. Os protótipos podem ser feitos diretamente de modelos sólidos CAD 3D em apenas algumas horas ou dezenas de horas.
A prototipagem rápida oferece uma representação mais abrangente e intuitiva do que a de desenhos e telas de computador, especialmente durante o estágio de desenvolvimento do produto, permitindo a consideração abrangente de vários fatores. Isso leva a ciclos de desenvolvimento mais curtos, melhor qualidade do produto, custos reduzidos e riscos de investimento reduzidos.
Quando combinada com a fundição de precisão na fundição, a tecnologia de prototipagem rápida a laser permite que a fundição produza rapidamente todos os tipos de moldes de cera usados para a fundição de precisão de estruturas grandes e complexas, reduzindo os custos de terceirização. Enquanto isso, a produção de lotes únicos ou pequenos de peças fundidas de precisão pode ser realizada sem um molde, economizando nos custos de ferramentas e reduzindo significativamente o ciclo de produção.
O desenvolvimento e a produção de novos produtos economizam um tempo valioso e reduzem os custos de produção, e o nível de fundição de precisão das oficinas de fundição foi aprimorado, estabelecendo uma base sólida para uma precisão bem-sucedida produção de fundição em produtos futuros.
Está claro que o uso da tecnologia de prototipagem rápida a laser se tornará mais difundido no futuro.
O tratamento térmico a laser (conforme mostrado na Figura 6) é uma técnica avançada de modificação de superfície que emprega feixes de laser de alta intensidade para aquecer seletivamente e resfriar rapidamente áreas específicas de componentes metálicos, induzindo alterações microestruturais precisas na camada superficial do material.
Esse processo versátil pode ser aplicado a um amplo espectro de tratamentos de modificação de superfícies metálicas, incluindo:
O processo de tratamento térmico a laser oferece várias vantagens em relação aos métodos convencionais de resfriamento de superfície:
Após o tratamento, as propriedades da superfície dos metais são significativamente aprimoradas. Por exemplo, a dureza da superfície do ferro fundido pode chegar a 60 HRC (escala Rockwell C), enquanto os aços de médio a alto carbono podem atingir valores de dureza de 70 HRC ou mais. Essas melhorias se traduzem em:
Além disso, o processo de tratamento térmico a laser pode ser adaptado para criar propriedades de gradiente, permitindo um equilíbrio ideal entre a dureza da superfície e a resistência do núcleo. Esse potencial de personalização torna o tratamento térmico a laser uma ferramenta inestimável em setores como o automotivo, aeroespacial e de ferramentas, em que o desempenho e a longevidade dos componentes são fundamentais.
Devido às suas muitas vantagens, a tecnologia de processamento a laser é altamente valorizada no setor de fabricação industrial, com baixos custos, alta eficiência e vasto potencial de aplicação. Isso levou a uma intensa concorrência entre as principais nações industriais do mundo.
A tecnologia a laser está se expandindo para novos campos e seu desenvolvimento está ocorrendo em um ritmo surpreendente. Nos principais setores de fabricação, como automóveis, eletrônicos, maquinário, aviação e aço, alguns países fizeram a transição completa dos métodos tradicionais de processamento para o processamento a laser e entraram na "era da luz".
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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