Usinagem por Feixe de Laser Explicada: Tipos, Processo e Aplicações

O que é Usinagem por Feixe de Laser?

Usinagem por feixe de laser (LBM) é forma de usinagem que usa calor direcionado de um feixe de laser. Este processo usa energia térmica para remover material de superfícies metálicas ou não metálicas. A alta frequência de luz monocromática incide na superfície, então aquecimento, fusão e vaporização do material ocorrem devido ao impacto de fótons.

É mais adequada para materiais frágeis com baixa condutividade, mas pode ser usada na maioria dos materiais.

Pode ser feita em vidro sem derreter a superfície. Com vidro fotossensível, o laser altera a estrutura química permitindo gravação seletiva. Também chamado de vidro fotomaquinável.

A vantagem do vidro fotomaquinável é produzir paredes precisamente verticais e o vidro nativo é adequado para muitas aplicações biológicas, como substratos para análise genética.

Definição de Usinagem por Feixe de Laser

Método de usinagem não convencional onde a operação é realizada por luz laser. A luz laser atinge temperatura máxima na peça; devido à alta temperatura, a peça derrete. O processo usa energia térmica para remover material de superfície metálica.

Tipos de Lasers

Existem muitos tipos: gás, estado sólido e excimer.

Gases mais comuns: He-Ne, Ar, laser de dióxido de carbono.

Lasers de estado sólido são projetados dopando elemento raro em vários materiais hospedeiros. Diferente de lasers de gás, são bombeados ópticamente por lâmpadas de flash ou arco. Rubi é um dos materiais hospedeiros mais usados.

Laser de rubi: tipo de laser de estado sólido cujo meio é cristal de rubi sintético. Haste de rubi sintético é bombeada opticamente usando tubo de flash de xenônio antes de ser usado como meio ativo.

YAG: ítrio-alumínio-granada, cristais usados para lasers de estado sólido. Nd:YAG: granada de ítrio-alumínio dopada com neodímio, usada como meio do laser em lasers de estado sólido.

Lasers YAG emitem comprimento de onda de ondas de luz com alta energia. Nd:vidro: meio de ganho dopado com neodímio feito de materiais silicato ou fosfato, usado em laser de fibra.

Partes da Usinagem por Feixe de Laser

1. Fonte de Alimentação

Alta tensão necessária para o laser. Energia fornecida ao sistema para excitar elétrons. Quando alimentados, elétrons entram em estado excitado, prontos para trabalhar.

2. Lâmpadas de Flash

Fornecem luz branca e coerente por duração muito curta.

3. Capacitor

Armazena e libera carga. Usado durante o processo de flash.

4. Espelho Refletor

Reflete luz diretamente para a peça. Dois tipos: interno e externo.

5. Lente

Fornecida para fins de visão. Mostra imagem em tamanho maior para facilitar operação na marca da peça.

6. Peça de Trabalho (Workpiece)

Objeto onde a operação será realizada. Ex: se corpo precisar operação a laser, somos a peça; na manufatura, objetos que precisam ser furados ou cortados.

Princípio de Funcionamento da Usinagem por Feixe de Laser

O feixe de laser, luz monocromática, é focalizado na peça a usinar por lente para dar densidade de energia extremamente alta para fundir e vaporizar qualquer material.

O cristal de laser (Rubi) é cilíndrico com extremidades planas refletoras, colocado em bobina de lâmpada de flash de ~1000W.

O flash é simulado com luz branca de alta intensidade de Xenônio. O cristal excita e emite feixe de laser focalizado na peça pela lente.

O feixe é extremamente estreito e pode ser focalizado em área de ponta com densidade de potência de 1000 kW/cm². Produz alto calor e a porção do metal funde e vaporiza.

Aplicações da Usinagem por Feixe de Laser

Lasers usados para soldagem, revestimento, marcação, tratamento de superfície, furação e corte entre outros processos de manufatura. Usados nas indústrias automotiva, naval, aeroespacial, aço, eletrônica e médica para usinagem de precisão de peças complexas.

Soldagem a laser: vantajosa por soldar a velocidades até 100 mm/s e capacidade de soldar metais diferentes. Revestimento a laser: reveste peças baratas ou fracas com material mais duro para melhorar qualidade superficial. Furação e corte com lasers: vantajosos por pouco ou nenhum desgaste na ferramenta, pois não há contato para causar dano.

Fresamento a laser: processo tridimensional requer dois lasers, mas reduz drasticamente custos de usinagem. Lasers podem alterar propriedades de superfície da peça.

Aplicação varia conforme indústria. Em manufatura leve: gravar e furar outros metais. Eletrônica: decapagem de fios e skiving de circuitos. Médica: cirurgia cosmética e remoção de pelos.

Vantagens da Usinagem por Feixe de Laser

• Raios monocromáticos e paralelos (étendue zero) podem ser focalizados em pequeno diâmetro e produzir até 100 MW por mm².
• Capacidade de gravar ou cortar quase todos os materiais, onde métodos tradicionais falham.
• Vários tipos de lasers, cada um com usos diferentes.
• Custo de manutenção moderadamente baixo devido à baixa taxa de desgaste, pois não há contato físico entre ferramenta e peça.
• Usinagem de alta precisão; a maioria dos processos não requer acabamento adicional.
• Feixes podem ser combinados com gases para tornar corte mais eficiente, minimizar oxidação de superfícies e/ou manter superfície livre de material fundido ou vaporizado.

Desvantagens da Usinagem por Feixe de Laser

• Custo inicial de aquisição moderadamente alto. Muitos acessórios auxiliam o processo, e como a maioria é tão importante quanto o próprio laser, o custo inicial aumenta.
• Manuseio e manutenção requerem indivíduos altamente treinados. Operação é tecnicamente complexa, podendo requerer especialista.
• Feixes de laser não projetados para processos de metal em massa.
• Consome muita energia.
• Cortes profundos difíceis em peças com altos pontos de fusão, geralmente causam conicidade (taper).

Perguntas Frequentes

O que é Usinagem por Feixe de Laser?

Forma de usinagem que usa calor de feixe de laser. Usa energia térmica para remover material de superfícies metálicas ou não metálicas.

Qual a vantagem da usinagem por feixe de laser?

Principais vantagens: facilidade de automação para padrões de corte complexos, ausência de desgaste e quebra de ferramenta, capacidade de cortar em ângulos rasos, taxas de corte rápidas. Como processo sem contato, transferência de energia ocorre por irradiação.

Qual laser é usado na usinagem por feixe de laser?

Tipos: lasers de gás como CO2 e excimer, lasers de estado sólido como Nd:YAG e YAG e lasers de femtossegundo.

Qual o princípio da usinagem por feixe de laser?

Foca na peça a usinar este feixe produzido. Quando atinge superfícies da peça, energia térmica do feixe é transferida. Aquece, funde, evapora e torna o material uma peça.

Quais as características do feixe de laser?

Propriedades mais características: (i) monocromaticidade, (ii) coerência (espacial e temporal), (iii) direcionalidade, (iv) brilho.

Qual material laser é usado no processo LBM?

Vários tipos de laser estado sólido desenvolvidos, onde Nd:YAG é majoritariamente usado para LBM. Lasers de estado sólido como Nd:YAG, rubi e Nd-vidro altamente usados para usinar materiais metálicos. Nd:YAG também para cerâmicos.

O que é manufatura a laser?

Manufatura baseada em laser aplicada em muitas indústrias para processar diferentes materiais, de cerâmicas a polímeros e metais. Avanços em tecnologia laser permitiram processamento de virtualmente qualquer material com precisão e eficiência sem precedentes.

Usinagem por feixe de laser requer vácuo durante toda operação?

Não. É mais versátil, usada para metal e não-metal. Não requer ambiente de vácuo. Zona afetada pelo calor tem área menor comparada a outros processos não convencionais.

Quais os tipos de lasers?

Baseados no meio de ganho, classificados em cinco tipos principais:

• Lasers de Gás
• Lasers de Estado Sólido
• Lasers de Fibra
• Lasers Líquidos (Lasers de Corante)
• Lasers Semicondutores (Diodos Laser)

Quais as principais propriedades e aplicação de feixes de laser?

Dispositivo que projeta feixe estreito e altamente concentrado de luz amplificada por radiação estimulada. Três propriedades: coerência, colimação, monocromaticidade. Produzem pequeno ponto focal de potência intensa.

Quais materiais podem ser usinados com feixe de laser?

Independente da natureza condutora elétrica da peça. Usina ampla gama: de plásticos a diamantes. Fornece ampla gama de técnicas: furação, corte, ranhura, risco, marcação, limpeza, torneamento, etc.

Por que usinagem por feixe de laser não pode ser usada para furos maiores?

Radiação laser acima de certa densidade produz fusão, vaporização e ejeção de partículas sólidas. Com aumento de diâmetro e profundidade, partículas ejetadas fundem e depositam nas paredes e fundo dos furos, não adequado para furação profunda.

Como é o custo operacional das máquinas usadas na usinagem por feixe de laser?

Usinagem muito rápida e tempos de preparação econômicos.

Como é o custo operacional das máquinas usadas na usinagem por feixe de laser?

Custo operacional em LBM é baixo mas custo do equipamento em si é alto.

O que faz a tecnologia laser?

Dispositivos usam luz para armazenar, transferir ou imprimir imagens e textos; também usados em cirurgia e armamento. Radiação coerente dá força especial.

O que é inversão de população na usinagem por feixe de laser?

• Para ação do laser, população de átomos no estado de energia superior deve aumentar. Processo de aumentar população de nível superior (N2 > N1) chamado inversão de população.
• Método de alcançar inversão de população chamado bombeamento.

Quais as aplicações da usinagem a laser?

Soldagem, revestimento, marcação, tratamento de superfície, furação, corte. Usadas em automóvel, naval, aeroespacial, aço, eletrônica e médica para usinagem de precisão de peças complexas.

Feixe de elétrons é usado na usinagem por feixe de laser?

Feixe de alta intensidade de elétrons focalizados usado para fornecer calor para remoção de material. Feixe de alta intensidade de laser (fótons coerentes) usado para fornecer calor para remoção de material.

Quem inventou o feixe de laser?

Theodore Maiman, Hughes Research Laboratories, primeiro laser funcional. Desenvolveu em 1960; artigo publicado na Nature três meses depois.

O que é laser Classe 3?

Lasers de potência média ou sistemas que requerem medidas de controle para evitar visualização do feixe direto. Medidas enfatizam prevenir exposição do olho ao feixe primário ou refletido espelharmente.

LBM é uma limitação?

Aplicável apenas para seções finas e onde pequena quantidade de material é removida. Controle de tamanho do furo difícil. Furos perfurados podem ter leve conicidade, não adequados para furos grandes.

Quando o feixe de laser foi inventado?

Dezembro 1958: Invenção do Laser. Ocorre avanço científico com impacto revolucionário na vida diária. Laser significa amplificação de luz por emissão estimulada de radiação.

Lasers podem cortar metal?

Cortam muitos materiais, tipicamente usados em alguns tipos de metal: aço carbono, aço doce, aço inoxidável, ligas de aço e alumínio.