Torneamento a Laser: Uma Ferramenta Revolucionária para Peças Médicas Complexas

Este vídeo ilustra como funciona o torneamento a laser. Crédito: GFH GmbH

Na indústria de usinagem de precisão, os lasers não desempenharam um papel proeminente além de marcação e gravação de peças, mas foram adicionados a tornos tipo suíço para cortar material tubular principalmente para aplicações médicas. Os lasers têm sido úteis para criar pequenos furos e gerar ranhuras, espirais, formas helicoidais, janelas e outras geometrias complexas em material canulado nessas máquinas.

Agora, nova tecnologia usa um laser para atuar como ferramenta de corte para "tornar" peças a partir de barras maciças. Este processo, desenvolvido pela empresa alemã GFH GmbH, substitui a ferramenta de torneamento convencional por um laser sem contato que evapora o material com pulsos de laser ultracurtos, usando menos energia que métodos de torneamento tradicionais. A máquina de torneamento de precisão de alta velocidade GL.smart, disponível para clientes dos EUA através da GFH na Alemanha, é especialmente útil para microusinagem, permitindo alta precisão para peças pequenas, complexas, que são frequentemente delicadas e difíceis de usinar ao implementar processos de torneamento convencionais.

"Graças à remoção de material sem contato, a peça permanece livre de força e deformação durante todo o processo de usinagem", explica Florian Lendner, CEO da GFH. "Isso significa que não há perda de precisão, mesmo com componentes muito finos e delicados."

A máquina também divide o feixe de uma fonte de laser e o entrega em duas cabeças separadas, para que possa torneiar, fresar, furar e gravar duas peças ao mesmo tempo. Estruturalmente, imagine uma fresadora vertical de duplo fuso, duplo palete, com cada estação capaz de torneamento e usinagem de cinco eixos.

Processamento Sem Contato

O coração da máquina é um laser de estado sólido bombeado a diodo que entrega pulsos em picossegundos ou femtosegundos na peça. Esta técnica de "pulso sob demanda" permite o ajuste da entrada de calor no material, tornando a peça menos propensa a superaquecer. Como resultado, nenhuma tensão ou deformação da peça ocorre. A empresa diz que este processo é adequado para componentes feitos de materiais muito duros e quebradiços.

O uso de um laser de alta potência em combinação com divisão de feixe permite processamento simultâneo em duas estações. Crédito da foto: GFH GmbH

Embora o laser bombeado a diodo seja o laser padrão no GL.smart, dependendo das necessidades do cliente, a GFH pode fornecer diferentes tipos de fontes de laser diferindo em comprimento de onda, potência do laser ou largura de pulso. Usando estes pulsos de laser ultrarrápidos e ultracurtos, o máximo de material possível é removido pelo desbaste. Ao finalizar uma peça, a qualidade final é alcançada com menor energia do laser.

O feixe de laser pode ser direcionado ao meio da peça ou tangencialmente, dependendo da operação. Por exemplo, se o componente tem um diâmetro fixo a ser torneado, o feixe de laser atinge o material tangencialmente. No entanto, se apenas certas áreas estão sendo usinadas em todo o diâmetro, como furos, o feixe de laser atinge o ponto médio do material.

A gama de profundidades de material que o laser pode torneiar/remover em uma passagem depende do material e do processo de torneamento em si. Com remoção tangencial, a gama do acabamento ao desbaste é de 1 mícron a 200 mícrons, e com o feixe de laser direcionado ao meio, a gama é de 0,1 mícron a 10 mícrons (acabamento a desbaste).

Após a usinagem, as peças finalizadas são manuseadas e coletadas sendo retiradas manualmente do sistema de fixação pelo operador ou caindo em um recipiente abaixo da área de usinagem. Para remover material erodido da máquina, o GL.smart é equipado com um sistema de sucção para coletar aerossóis e poeira.

Capacidades "Smart"

Oficinas que fornecem para as indústrias médica e relojoeira se beneficiarão especialmente das capacidades de microusinagem do GL.smart, segundo a GFH. Por exemplo, a máquina pode produzir microferramentas como pinças, micro-lâminas e implantes, bem como pivôs instalados em mecanismos de relógio, diz a empresa.

Com a capacidade de usinar virtualmente qualquer material, a máquina de torneamento a laser realiza operações de torneamento, furação, corte e gravação com alta velocidade e precisão, diz a empresa. A máquina também oferece usinagem combinada

As capacidades do GL.smart são diversas e variam de microferramentas médicas como pinças e micro-lâminas, bem como pivôs instalados em mecanismos de relógio.

bem como processamento paralelo em duas estações de fixação de eixo C simultaneamente, o que dobra a produtividade.

Devido ao movimento de cinco eixos, todas as operações podem ser realizadas em uma única configuração. Portanto, a peça pode ser gravada, cortada, furada ou estruturada sem qualquer re-fixação.

Os fusos principais de peça com mancais de ar apresentam um acionamento de torque que pode ser usado para indexar/posicionar peças e girar até 3.500 rpm em 0,4 segundo. Concêntrico radial e axial em nanômetros permitem produção com tolerâncias de retificação. A máquina também fornece um sistema de colete de tensão controlado por força. A pegada compacta do GL.smart de 2.212 mm (C) × 1.026 mm (L) × 2.320 mm (A) está contida em uma caixa de vidro preto que fornece proteção contra radiação laser.

A máquina está disponível com até 16 eixos simultâneos, controlados por seu próprio sistema desenvolvido, GL.control. Cada estação de trabalho (o eixo Z é o mesmo para ambas as estações de trabalho; o eixo Y é separado para cada estação de trabalho) pode ser equipada com um fuso principal (eixos X e A) e uma unidade rotativa (eixos X, B e C). Os três eixos restantes são colocados na caixa óptica para manipulação do feixe.

CNC Controla a Precisão do Laser

Programado e controlado usando seu software GL.control desenvolvido pela GFH, o controle numérico computadorizado (CNC) da máquina consiste em um computador que é exclusivamente responsável pelo software de controle numérico e outra unidade responsável pelo software operacional. O CNC integra as funções CAD/CAM, bem como todos os seus subsistemas. O CLP rápido programável do GL.smart é projetado para processamento a laser e oferece acesso em tempo real para controle do laser, para que o laser possa ser ligado com uma precisão de 40 nanômetros em toda a gama de movimento dos eixos.

O processo para criar um programa CAD/CAM de corte para uma peça inclui:

1. Carregar o arquivo 3D no software da máquina
2. Selecionar todas as geometrias a serem geradas
3. Gerar o código G para usinagem a laser
4. Editar parâmetros específicos do material
5. Carregar no CLP
6. Iniciar o trabalho de usinagem

Ao configurar a máquina de torneamento a laser para um novo tipo de peça a ser usinada, pode ser simples ou um pouco mais complexo, dependendo do tamanho da matéria-prima, segundo Lendner. "Se a matéria-prima tiver o mesmo tamanho, só é necessária uma mudança nas configurações de software para criar um novo design", diz ele. "Se for um novo tipo de tamanho de matéria-prima, a configuração óptica e o sistema de fixação também devem ser alterados." A máquina aceita matéria-prima de até 12 mm de diâmetro e comprimento de até 2 m.

Construindo uma Máquina Personalizada

A GFH oferece numerosos add-ons e acessórios para o GL.smart que ajudam os usuários a construir uma máquina personalizada para suas aplicações específicas. As opções incluem acessórios para automação, monitoramento e garantia de qualidade.

A máquina de torneamento a laser GL.smart fornece remoção sem contato. Isso significa que não há perda de precisão mesmo com componentes muito finos e delicados.

Devido à crescente popularidade e muitas vezes necessidade de automação de oficinas, a adição de um sistema de manuseio de peça com robô de seis eixos e alimentador de barras para o GL.smart está disponível. A implementação desta opção oferece oportunidades para usinagem sem luzes também.

Outras opções para a máquina de torneamento a laser incluem uma unidade giratória oscilante como contra-fuso e design de torneamento curto ou longo, ou ambos. A configuração do colete e guia de peça definem se a máquina tem um design de torneamento curto ou longo.

A GFH oferece os seguintes equipamentos como opções para o GL.smart que são facilmente programados através do GL.control.

Feixe de laser de baixa vibração: O GL.beam inclui o caminho completo do feixe do laser até a óptica de processo dentro da máquina. O laser é montado e alinhado em uma base de granito de acordo com as especificações do fabricante para operação de baixa vibração.

Sistema de fixação de precisão: Para fixação repetida de componentes, a máquina pode ser equipada com GL.clamp, um sistema de fixação de precisão da Erowa. Sob solicitação, sistemas de fixação de outros fabricantes ou dispositivos de fixação a vácuo também estão disponíveis.

Modos de monitoramento e ajuste de feixe: Os sistemas de laser podem ser estendidos pelos modos operacionais GL.om3 e GL.om4. O modo operacional 3 é usado para monitoramento de processo, e o modo operacional 4 é para ajuste de feixe.

Sistema de scanner: Para produção precisa de peças ou gravação profunda, a máquina pode ser equipada com um sistema de scanner chamado GL.scan. Ele posiciona o feixe de laser nas peças via dois espelhos galvo.

Sistema de medição óptica: O sistema de medição óptica, GL.vision, facilita o posicionamento do componente sob o laser e também oferece a possibilidade de medição óptica com resolução de microscópio.

Módulo de óptica fixa: O módulo GL.optifix fornece óptica fixa para furação a laser, corte de precisão e ablação. Não há componentes móveis na óptica, reduzindo assim o erro de posicionamento à precisão do sistema de eixos.

Módulo de distância: O módulo GL.distance está disponível para os mais altos requisitos de precisão para microfuração e corte de precisão. Desvios e tolerâncias da superfície do componente podem ser registrados e corrigidos antes da usinagem.

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