O corte a laser aumenta

Os lasers de fibra para aplicações de corte não apenas dominam o mercado, como sua qualidade está melhorando. O aumento da potência, velocidade e capacidade do laser estão permitindo novos aplicativos.

Implementar um sistema abrangente de corte a laser não é uma tarefa para os fracos de coração. Além do desembolso financeiro, os requisitos incluem o planejamento de um sistema completo, não apenas o laser, de acordo com Dustin Diehl, gerente de produto da divisão de laser, Amada America Inc., Buena Park, Califórnia. Há também a localização da instalação e aquisição do laser unidade e equipamento, incluindo carregadores, descarregadores, resfriadores e controles. Por fim, o sistema precisa ser integrado ao relatório geral e aos ciclos de feedback. O resultado é um sistema capaz de gerar um ROI substancial em um tempo surpreendentemente curto.

Embora os lasers de CO2, que representavam a fase formativa do corte a laser, tenham sido eclipsados ​​pelos lasers de fibra mais recentes, eles ainda têm um lugar no mercado. Jeff Tyl, gerente de vendas norte-americano de fabricação da Murata Machinery USA Inc., Charlotte, Carolina do Norte, explicou que “os modernos lasers de CO2 são normalmente usados ​​para cortar estoque acima de 1″ e podem fornecer um corte limpo. Além disso, eles não são limitados pelo tamanho da mesa. Eles ainda são um fator importante em indústrias críticas, como construção naval e defesa, mas o laser de fibra é claramente a escolha mais popular para aplicações convencionais de chapas metálicas.”

Embora a maioria dos lasers de fibra vendidos hoje esteja na faixa de 1 a 6 kW, as configurações de maior potência estão fazendo incursões em aplicações selecionadas e continuarão a crescer em presença no mercado. Brendon DiVincenzo, gerente de produto para lasers e automação da Bystronic Inc., Elgin, Illinois, comentou:“os centros de serviço de aço receberam bem o advento de unidades de maior potência que atualmente têm capacidade operacional na faixa de 10 a 12 kW. À medida que as velocidades aumentam, veremos uma demanda maior.”

Os lasers de fibra atuais normalmente fazem parte de um sistema de processamento completo, conforme observado por Diehl da Amada. “O laser não pode ser considerado uma unidade autônoma. Tem que fazer parte de um sistema”, disse. “Trabalhamos com nossos clientes para ‘fazer a lição de casa’ para entregar um pacote em que todos os módulos – carga, descarga e a própria unidade – são projetados juntos. A potência faz parte da equação, mas dependendo da aplicação, todo o sistema deve ser considerado.”

Os lasers de fibra também precisam ser versáteis, capazes de processar diferentes tipos de material. Por exemplo, a série ENSIS da Amada usa tecnologia proprietária de laser de fibra para processar materiais finos e espessos sem uma troca de lente de corte ou configuração manual. O motor de fibra de 3 kW incorpora a tecnologia ENSIS da Amada, que otimiza o modo de laser e o produto de parâmetro de feixe (BPP) com base na espessura do material a ser processado. A série ENSIS é capaz de corte de alta velocidade em materiais finos, uma capacidade chave da tecnologia de fibra, e pode processar chapas grossas com eficiência, de acordo com a Amada America.

Melhorias na tecnologia de corte são um fator significativo na crescente popularidade dos lasers de fibra. "As primeiras unidades de fibra tinham problemas em deixar bordas irregulares", disse Mark Bronski, chefe de vendas de lasers da Trumpf Inc. em Farmington, Connecticut. Placa de 5/8 a 3/4″ [15,9-19,05 mm].”

Hank White, gerente de sistemas de software da MC Machinery Systems Inc. em Elk Grove Village, Illinois, observou que os clientes são seletivos quando se trata de energia a laser. “Embora estejamos vendo um crescimento no mercado de sistemas de 8 kW, os clientes são extremamente cuidadosos ao determinar os requisitos de energia para sua aplicação individual. Se unidades de menor potência puderem fazer o trabalho, elas permanecerão nessa categoria porque unidades maiores custam mais para comprar e operar e, em muitos casos, não podem ser mais rápidas.”

Corte Especial

O corte a laser de alta potência está fazendo algumas incursões significativas em áreas mais especializadas. Isso inclui aplicações 3D, fabricação de furos e processamento de bobinas e tubos. Mark Barry, vice-presidente de vendas e marketing da Prima Power Laserdyne LLC, Champlin, Minn., comentou:“no corte bidimensional, a indústria está vendo um aumento na demanda por 6 kW, mas quando se trata de alta precisão em aplicações como perfurando furos de resfriamento em motores de turbina, lasers QCW (Quasi Continuous Wave) de maior potência fornecem o nível necessário de precisão.”

Robert Adelman, gerente de produtos a laser norte-americano do BLM Group USA, Novi, Michigan, observou que, em aplicações de corte de tubos, os requisitos de energia aumentaram de 3 kW para 5 kW. “Todos os lasers de fibra perfuram e cortam mais rápido, embora não usemos as potências de saída típicas do mundo das chapas planas, pois sempre há o outro lado do tubo a ser considerado”, disse ele. “Isso é verdade tanto em máquinas 2D convencionais quanto em unidades 3D de até 45°. Dependendo da máquina, os diâmetros variam de 1/2 a 24″ [12,7-610 mm] de diâmetro externo, e máquinas maiores também podem perfurar e rosquear.”

A LaserCoil Technologies LLC, de Napoleon, Ohio, compra lasers para integrar em operações de blanking de bobinas. Jay Finn, GM e CTO, afirmou:“subimos no poder quando estamos confortáveis ​​com a ótica. Atualmente, usamos um laser de 8 kW para sistemas que processam materiais de 0,5 a 35 mm enquanto produzem a borda desejada. A maioria de nossos sistemas possui vários cabeçotes e inclui sistemas completos de manuseio de materiais.”

Automação combinada com lasers

Com lasers de fibra, a automação é um fato da vida. É possível que uma pequena loja comece com um sistema de carregamento simples. Em pouco tempo, no entanto, percebe-se que são necessários mais componentes para atingir todo o seu potencial. Torna-se então óbvio que é necessário muito planejamento e comprometimento.

Uma das principais considerações envolve o espaço. Os lasers precisam de uma área dedicada razoavelmente livre de contaminantes e grande o suficiente para fornecer qualquer adição de equipamentos de autômatos adicionais. Diehl, da Amada, observou que é sensato “estimar dólares por metro quadrado. Antes de entrar, familiarize-se com os vários sistemas modulares para entender como a instalação irá progredir. Raramente vendemos lasers autônomos. Os sistemas que fornecemos são voltados para expansão e flexibilidade. Dadas as velocidades de produção, o principal desafio é o gerenciamento do fluxo de peças que saem da máquina.”

DiVincenzo da Bystronic concordou. “A automação é um fator significativo tanto para grandes OEMs quanto para pequenas oficinas, embora sejam diferentes nas necessidades do processo”, disse ele. “Por exemplo, um centro de serviço de aço está preocupado principalmente com a quantidade, em termos de ‘toneladas no leito do laser’, enquanto uma oficina está procurando velocidade e fluxo de material eficiente.” A variedade de componentes possibilitou aos usuários desenvolver estratégias de automação individuais para se adequar a eles.

Tyl da Murata Machinery observou, “nós vendemos três variedades de sistemas, em termos gerais. O carregador de paletes, uma torre com quatro ou oito gavetas e um sistema de separação de peças. A torre abastece o estoque e o sistema de classificação de peças avança as peças cortadas para a próxima estação. Indo para o futuro, vemos lasers híbridos com múltiplas funções ganhando popularidade.” Pequenas lojas podem ser limitadas pelos custos. “As lojas que usam vários materiais podem entrar no jogo programando um único carregador de paletes”, disse Tyl. “À medida que seus negócios aumentam, a automação se torna irresistível graças ao rápido ROI.”

Como a automação de corte aumenta a produção, é necessária mais automação. “O processamento a jusante é a próxima fronteira, incluindo limpeza e conformação de bordas”, afirmou White da MC Machinery Systems. A chave para o sucesso é o desenvolvimento de software que pode reunir módulos de diferentes fabricantes por meio de um programa unificado.”

As muitas formas e configurações diferentes de tubos precisam de uma abordagem mais especializada. “Convencionalmente, as máquinas não eram capazes de carregar formas personalizadas em tubos a laser”, explicou Adelman do BLM Group USA. “Hoje, os lasers de tubo podem carregar um formato especial como ‘amendoim’ automaticamente. Usando câmeras especializadas, a máquina pode detectar a orientação do tubo para garantir a fixação adequada, bem como a orientação adequada da peça.”

“A flexibilidade é fundamental no processamento de bobinas”, explicou Finn da Laser-Coil. “Todo sistema que vendemos opera nos modos contínuo e indexado e pode interagir com qualquer tipo de empilhamento. Além disso, projetamos nossos módulos para apresentar o mesmo espaço que os equipamentos de supressão mecânicos mais antigos para facilitar o processo de atualização.”

Barry, da Prima Power Laserdyne, resumiu:“Se você tiver corte a laser, terá automação. O laser não é um item discreto, é um componente.”

Controles, Automação e Operadores

Apoiando a tendência em direção aos sistemas automatizados de corte a laser, há uma variedade de controles sofisticados que devem ser integrados. “O paradigma de controle ideal envolve uma integração perfeita aos sistemas ERP, eliminando assim o desperdício nos processos administrativos. Crucial para o sucesso é o monitoramento total e constante, bem como os alertas de manutenção. O objetivo é zero tempo de inatividade não planejado”, afirmou Bronski, da Trumpf.

Os modernos sistemas de automação melhoraram muito o status do operador. Isso é especialmente visível na evolução dos controles em sistemas integrados. Diehl, da Amada America, comentou:“Vinte anos atrás, um sistema de controle a laser era tão complexo quanto a cabine de um avião. Agora, é mais parecido com um iPad, oferecendo interface touchscreen e gráficos melhores. Os sistemas têm uma função de edição melhor e feedback muito melhor. O operador pode monitorar remotamente problemas de serviço, histórico de serviço e status de alarme para alarmes passados ​​ou atuais.”

DiVincenzo, da Bystronic, observou o aumento da demanda dos clientes por controles padronizados. “Os clientes estão exigindo controles compatíveis que possam interagir não apenas com o sistema de corte a laser, mas com outras máquinas e sistemas ERP, processando ordens de serviço e canalizando dados e peças para a próxima operação.” White concordou e observou:“Quando se trata do processador, diferentes construtores têm seu próprio 'molho secreto'.

Controles e software fizeram uma enorme diferença no processamento de bobinas. Os sistemas de software podem calcular um agrupamento com base no padrão de corte ideal para uma largura de bobina específica, bem como determinar a largura da bobina que oferecerá o melhor rendimento. Finn explicou:“O ninho final depende do processo de alimentação da bobina. A borda principal deve corresponder à borda final. Para facilitar a adoção, desenvolvemos um software para automatizar o agrupamento e a otimização do caminho de corte. Isso torna menos intimidante ao trazer lasers para sua operação.”

Os sistemas de controle e software também criaram grandes avanços na manipulação do laser. “Houve uma grande melhoria no tempo de troca de peças convencionais e complexas. Agora podemos alterar a potência pulso a pulso com um tempo de resposta literalmente além de milissegundos”, disse Barry da Prima Power Laserdyne. “Isso nos permitiu adquirir imensa flexibilidade em operações multifuncionais. Por exemplo, somos capazes não apenas de produzir qualquer formato de furo em qualquer ângulo, mas também de passar da perfuração para a soldagem. Ao ajustar a potência e a pulsação, também podemos lidar com novos materiais, incluindo o composto de matriz de carbono (CMC).”

Os controles também possuem flexibilidade avançada no processamento de materiais tubulares. “Os sistemas integrados mais recentes tiram o trabalho da máquina e o movem para o estágio de planejamento de produção”, disse Adelman do BLM Group USA.“ Agora, o software de agrupamento pode não apenas agrupar peças em trabalhos, mas também selecionar quais opções são necessárias (como orientação da costura de solda em tubos) para criar uma produção inteira, enquanto um operador iniciante pode se concentrar no gerenciamento do carregamento de material e embalagem de peças. As funções de controle podem criar cronogramas de produção e calcular tempos de trabalho e custos precisos. Para garantir que nossos clientes possam se beneficiar dos muitos recursos de controle, fornecemos treinamento em nossas instalações e nos locais de nossos clientes.”

Melhorias de qualidade em lasers de fibra

Graças à combinação de recursos de potência e controle, os lasers de fibra atuais subiram na curva, no que diz respeito à qualidade. Até certo ponto, isso se deve à experiência do usuário e à capacidade de controle na definição dos parâmetros corretos para tipos de materiais específicos. “Tecnologia de fluxo, melhorias no uso de diodos e óticas e maior cuidado na definição da mistura de gases contribuíram”, segundo White, da MC Machinery Systems. “Mesmo com as melhorias no cabeçote do laser, a equação de custo ainda está presente e alguns usuários acham que é mais econômico empregar um processo de acabamento posterior do que gastar o esforço na regulação do laser.”

Dois dos fatores mais importantes no controle de qualidade são a manutenção preventiva e o gerenciamento de materiais, segundo Bronski, da Trumpf. “A complexidade dos sistemas a laser exige um alto grau de manutenção preventiva e o treinamento é absolutamente essencial. Outro fator fundamental tem a ver com o material envolvido no processo. Os usuários precisam inspecionar o que obtêm para garantir alta qualidade ou perderão desempenho.”

Diehl, da Amada America, citou a importância da mistura de gases. “O uso da mistura adequada de gases pode melhorar a qualidade da borda a ponto de eliminar operações secundárias. Estamos vendo a crescente popularidade da geração interna de nitrogênio usando filtragem, bombas de reforço e tanques de armazenamento. Há também uma tendência de inspeção de peças por meio de sistemas de imagem e visão 3D.”

O equilíbrio entre velocidade e qualidade continua sendo uma consideração primária. À medida que os sistemas avançam, os esforços para manter a qualidade em alta velocidade incluem o uso de acionamentos lineares de alta precisão em oposição a cremalheira e pinhão, e a incorporação de servomotores. A inspeção em tempo real é fundamental nas operações de tubos e bobinas. A digitalização agora pode detectar torções no estoque tubular e ajustar para compensar. Da mesma forma, o estoque de bobinas pode ser inspecionado “on the fly” para garantir o controle de qualidade adequado. DiVincenzo, da Bystronic, resumiu a economia da qualidade:“Não se trata mais do custo do trabalho, mas da velocidade do trabalho”.

À medida que as melhorias no corte a laser e na tecnologia de automação progridem, os fabricantes e outros usuários finais serão confrontados com uma variedade de opções que afetarão não apenas a operação de corte, mas, no caso de OEMs, todo o processo de fabricação. A velocidade do laser e o advento de uma automação mais ampla podem muito bem fazer pela fabricação o que a linha de montagem fez pela produção automotiva.

A experiência do usuário final:Hatco Corp.

Com sede em Milwaukee e instalações de fabricação em Sturgeon Bay, Wisconsin, a Hatco Corp. é uma fabricante de equipamentos comerciais para serviços de alimentação. Faz aquecedores de alimentos, comerciantes de alimentos, torradeiras e outros produtos. Os lotes de produção variam de centenas de unidades para colocação em restaurantes de conveniência ou fast-food até um único aquecedor especialmente apresentado para uma instalação específica. O mantra da empresa é “Uma quantidade de pedido econômica de um”.

Em busca desse objetivo, a empresa tem continuamente ampliado e atualizado suas instalações fabris com o que há de mais moderno em equipamentos e técnicas.

De acordo com Steve Christoferson, vice-presidente de manufatura da Hatco, “muitos fabricantes e lojas tendem a ser ‘centrados em peças’ e veem as peças individuais como fins em si mesmas. Na Hatco, nossos processos são orientados por produtos e, como nosso pessoal pode ver todo o processo sob o mesmo teto, há uma consciência constante de manter controles de estoque rígidos e fluxo de fabricação eficiente.”

A experiência da Hatco com lasers é tão antiga que Christoferson lembra que “a velocidade lenta dos primeiros lasers era dolorosa de assistir. Agora, graças à velocidade e qualidade, a fibra é o futuro.”

Atualmente, a Hatco usa quatro lasers Mitsubishi, três dos quais são de CO2 e o último um laser de fibra de 4 Kw. O metal processado inclui mais de 100 tamanhos e bitolas diferentes, de chapa a bitola de 24 e 28” e inclui aço inoxidável e aço macio, bem como alumínio. As tolerâncias podem ser tão apertadas quanto 0,0001” (2,54 µm). “Como muitas das peças que fabricamos são tridimensionais, literalmente temos que pegar a peça e ‘desdobrá-la’ para obter o padrão de corte correto. Usamos o agrupamento dinâmico para otimizar os rendimentos das matérias-primas”, comentou Christoferson.

Os lasers estão localizados em uma seção dedicada da planta. Um FMS “River” da Mitsubishi move o material para dentro e para fora. “Levou um ano inteiro de trabalho para mudar para o sistema automatizado que queríamos”, disse Christoferson. “Optamos por um sistema de fibra de 4 kW como o mais econômico para nossos propósitos. O trabalho é atribuído a cada um dos quatro lasers com base no tipo e espessura do material e na qualidade do corte que pode ser alcançado.” A área do laser foi projetada para permitir futuras expansões e está localizada adjacente aos processos a jusante para rebarbação (quando necessário) e dobra.

Quando se trata de qualidade, Christoferson observou que “todo operador é um inspetor”. Os funcionários da Hatco são treinados em várias disciplinas de fabricação para entender as complexidades do processo e ser capazes de intervir caso algum problema seja detectado. Há vários anos, a empresa foi comprada pelos funcionários e há um “interesse proprietário” por parte de todos.

Dave Rolston, presidente da Hatco, já foi chefe de engenharia e pode ser visto com frequência no chão de fábrica. “Estamos excepcionalmente orgulhosos da qualidade de nossos equipamentos e da extensão da automação que alcançamos em nossa área de laser”, comentou Rolston. "Mas, no final, é a habilidade e o orgulho de nosso pessoal que nos mantém 'os melhores da classe'."