Corte a Laser Explicado: Processo, Tipos e Aplicações

O corte a laser é um método de processamento não tradicional que usa um feixe intensamente focalizado de luz coerente chamado laser para cortar material. É um processo subtrativo onde o material é continuamente removido durante o corte. Isso é realizado por vaporização, fusão, ablação química ou propagação controlada de trincas.

A óptica do laser é controlada digitalmente por CNC (Controle Numérico Computadorizado), tornando o processo adequado para furar furos tão pequenos quanto 5 mícrons. Além disso, o processo não cria tensões residuais no material, permitindo cortar materiais delicados e frágeis.

Como Funciona o Corte a Laser?

Uma máquina de corte a laser funciona similarmente a uma máquina CNC, mas usa um laser de alta potência. O laser guia o material ou feixe através do CNC e equipamento óptico. A máquina usa o CNC, ou G-code fornecido, para cortar o material e controlar o movimento.

Após o feixe ser focalizado, o material derrete, vaporiza e queima. Soprando gás no material, obtém-se superfície de aresta acabada de alta qualidade. A geração do feixe ocorre em recipiente fechado, onde uma lâmpada ou descarga elétrica estimula o material luminescente.

A amplificação ocorre após reflexão interna através de espelho parcial. Este fenômeno continua até que energia suficiente se acumule em um feixe de luz monocromática coerente para escapar. A intensidade da luz aumenta após ser focalizada na área de trabalho usando fibra ou espelho.

O diâmetro do feixe é abaixo de 0,32 mm em sua borda mais fina. A largura do corte pode ser tão pequena quanto 0,10 mm, dependendo da espessura do material. Se o corte não começa na borda do material, usa-se processo de perfuração.

Tipos de Corte a Laser

Para corte, existem três tipos principais de lasers: CO2, Nd-YAG (granada de ítrio-alumínio dopada com neodímio) e lasers de fibra. Diferem no material base usado para gerar o feixe.

Lasers de Dióxido de Carbono

Este tipo tem meio de descarga gasosa com 10-20% CO2, 10-20% nitrogênio, traços de hidrogênio e xenônio, e hélio. O bombeamento é por corrente de descarga, não por luz.

À medida que a descarga passa pelo meio, moléculas de nitrogênio são excitadas a nível de energia superior. Estas não perdem energia por emissão de fótons, mas transferem energia de seus modos vibracionais para moléculas de CO2. O processo continua até a maioria das moléculas de CO2 estar em estado transferível. As moléculas de CO2 emitem luz infravermelha a 10,6 µm ou 9,6 µm, retornando a nível inferior.

Espelhos ressonantes refletem fótons nestes comprimentos de onda. Um espelho é refletor parcial que permite a liberação do feixe infravermelho para cortar o material. Após liberar a luz, a molécula de CO2 retorna ao estado fundamental transferindo energia restante para átomos de hélio dopados. Átomos de hélio frios tornam-se quentes e são resfriados pelo sistema de resfriamento do laser. Lasers CO2 têm eficiência de ~30%, superior a outros lasers.

Lasers de Cristal (rubi, Nd e Nd-YAG)

Ao contrário dos lasers CO2, este tipo é laser de estado sólido que usa cristais sintéticos como meio emissor. O mais comum é cristal YAG (Y3Al5O12) dopado com 1% de íons neodímio (Nd3+).

Os íons Nd substituem íons Y na estrutura do cristal. Hastes têm ~10 cm de comprimento e 6-9 cm de diâmetro. Extremidades são polidas e revestidas com material altamente reflexivo servindo como sistema ressonador.

Lâmpada de flash de criptônio ou diodo laser bombeia o laser. Isso excita íons neodímio a níveis superiores. Após tempo, íons excitados entram em estado inferior mais estável sem emitir fótons. Processo continua até o meio encher-se de íons Nd excitados. Do estado degradado, o íon Nd emite luz infravermelha a 1064 nm.

Lasers de Fibra

Lasers de fibra são forma mais nova que emite luz usando fibras ópticas em vez de gases (CO2) ou cristais (Nd-YAG). Por usar fibras ópticas, são lasers de estado sólido que funcionam similarmente a lasers de cristal.

A fibra óptica é dopada com elementos como érbio e itérbio. Érbio produz luz na faixa de 1528-1620 nm. Itérbio produz a 1030 nm, 1064 nm e 1080 nm.

Sabe-se que quando luz passa por fibra óptica, permanece interna com perda mínima de energia. Isso torna fibras mais estáveis que outros tipos que exigem alinhamento preciso.

Vantagens da Máquina de Corte a Laser

Alta Precisão e Exatidão

Lasers usam feixe focalizado para cortar com precisão extrema. O laser é potente e minúsculo, mas derrete e evapora material com precisão inigualável. Tolerâncias típicas variam de 0,003 mm a 0,006 mm.

Cortadores a plasma têm tolerância de ~0,02 mm, superior ao corte a laser. Outras ferramentas têm tolerâncias entre 1-3 mm ou mais. Se alta precisão é necessária, a ferramenta preferida é o cortador a laser. Por isso, a indústria aeroespacial usa corte a laser, que exige tolerâncias apertadas.

Menor Custo e Mais Acessível

O corte a laser tem vantagem econômica sobre outras máquinas CNC do mesmo calibre. Ferramentas personalizadas não são mais necessárias. Não se precisa modificar equipamento para projetos pois não são necessárias ferramentas de corte adicionais.

Não há contato físico, então não há desgaste na superfície. Como máquinas de corte a laser têm poucas peças mecânicas, são mais baratas para manter que outras tecnologias. O custo operacional também é menor comparado a ferramentas de manufatura tradicionais.

Para Trabalhos de Complexidade Extrema

Muitas tarefas complexas para outras tecnologias tornam-se simples para lasers; a tecnologia trabalha nas bordas mais finas do material. Embora a área de corte possa ser ligeiramente distorcida, geometrias complexas são produzidas rapidamente. O corte a laser tem ampla tolerância e acomoda diversos materiais.

Alto Aproveitamento de Chapa e Menos Desperdício

Ao cortar com laser, quantidade mínima de material é desperdiçada. Isso destaca o corte a laser de outras máquinas com desperdício significativo. Fabricantes maximizam uso do material. Com recursos utilizados eficientemente, menos material é desperdiçado e custos de produção reduzem.

Prevenção de Danos

Outro benefício é evitar danos, mesmo em materiais mais estreitos. Muitos acreditam na desinformação de que distorção ou dano é inevitável. A premissa é que alto calor é usado. Deve-se notar que o calor afeta apenas pequena área e não afeta tolerâncias. O corte a laser de chapas é incrivelmente rápido, então o tempo de corte é menor. Fabricantes evitam facilmente empenamento e distorção.

Baixo Consumo de Energia

Precisa-se de muita potência para cortar na vida real. Mas máquinas de corte a laser não têm outras peças móveis, reduzindo consumo de energia. Em contraste, máquinas com peças móveis consomem mais energia. Cortadores a laser cortam material muito rápido, economizando tempo e energia. Menor consumo reduz custo operacional.

Compatibilidade com Variedade de Materiais

Interessante notar que esta máquina trabalha em diversos materiais. Além de cortar, o laser auxilia em marcação, furação e gravação. Não é necessário trocar ferramentas para estes diferentes trabalhos.

O corte a laser não se limita a metal. Outros materiais incluem madeira, alumínio, plástico, cobre e latão. É versátil por cortar facilmente quase todos os tipos de materiais.

Desvantagens da Máquina de Corte a Laser

Embora tenha muitos benefícios, também tem desvantagens:

Corte a laser de plásticos produz fumos tóxicos e exige ventilação, o que pode ser caro.

Corte efetivo depende da espessura da peça, material e tipo de laser. Sem cuidado adequado, o material pode queimar, e alguns metais podem descolorir a menos que a intensidade correta seja usada. Embora corte a plasma ainda corte chapas mais grossas que laser, avanços na tecnologia a laser estão fechando esta lacuna, embora custos de máquinas permaneçam altos.

Finalmente, embora automatizado, comissionamento e manutenção exigem envolvimento humano, havendo risco de queimaduras graves se o operador contactar o laser.

Aplicação do Corte a Laser

Como dito, o corte a laser é setor empolgante e sempre em evolução.

Alguns dos usos mais prevalentes hoje:

Indústria Automotiva

O corte a laser encontrou espaço na automotiva pela capacidade de reproduzir peças com velocidade e precisão relativas. Reprodução precisa de peças de várias formas e tamanhos é crítica. Usa-se para cortar metais e plásticos formando peças de carroceria, componentes eletrônicos, coberturas internas e botões.

Máquinas de corte a laser gravam botões internos automotivos para permitir passagem de luz e registram números de série e peças em peças fabricadas. Moldes para cortar diferentes peças também podem ser cortados a laser.

O corte a laser é adequado para peças hidrofórmicas. São tubos robustos que dão suporte à construção do veículo. Tipicamente usados para criar estruturas de motor ou painéis de instrumentos.

Indústria de Moldes e Ferramentaria

Como observado, o corte a laser faz moldes para peças duplicadas. Usando a capacidade do laser de cortar diferentes profundidades no metal, moldes extremamente precisos são criados para peças estampadas usadas consistentemente em processo repetitivo de corte por matriz.

Duplicar moldes com laser é rápido e preciso. Moldes de injeção podem ser feitos com mesma precisão. Isso simplifica a fabricação de moldes e torna reprodução precisa muito mais rápida e cara.

Na fabricação de ferramentas, cortadores a laser marcam e gravam na indústria automotiva e fazem ferramentas manuais simples. A velocidade pode torná-los melhores que corte por matriz em metais fortes. Pela versatilidade de materiais, pode-se gravar logotipos e informações da ferramenta em cabos de borracha.

Indústria Joalheira

A precisão do corte a laser facilita seu uso em joalheria. Imagine relógio com muitas engrenagens pequenas. Lasers cortam com precisão engrenagens com menos desperdício e tempo. A capacidade de gravação permite marcar peças durante a fabricação.

Como lasers cortam formas e espessuras precisas, também fazem joias. Criar anel ou pulseira de largura, profundidade e diâmetro precisos é fácil com laser. Lasers também gravam designs e inscrições em superfícies internas ou externas.

Fabricação de Dispositivos Médicos

As maiores vantagens do corte a laser na medicina são cirurgia a laser e fabricação de produtos médicos.

Cirurgia a laser permite cortes precisos, com recuperação mais rápida. Peças cortadas a laser fabricam dispositivos que melhoram qualidade de vida. Por exemplo, stents, armações de válvulas, clipes vasculares, dobradiças ósseas, eixos flexíveis e alargadores são feitos de peças cortadas a laser.

Fabricação de Cerâmicas

Cerâmicas têm qualidades que engenheiros empregam em várias aplicações. Baixa condutividade elétrica e térmica as tornam excelentes isolantes. Não reagem com outros químicos, têm alto ponto de fusão e são extremamente duráveis.

Lasers cortam cerâmicas porque reduzem tempo de processamento sem sacrificar qualidade de aresta. Motores a jato de aeronaves, motores elétricos, alto-fones, fones, geradores de usinas, panelas de arroz e lâmpadas incandescentes têm peças cerâmicas.

Fabricação de Silício

Outro material que beneficia do corte a laser é o silício, com muitas aplicações. Corte de precisão permite produzir peças de silício menores que outros métodos. Silício resiste a altas temperaturas e envelhecimento, e é fácil de trabalhar. Aplicações típicas: computadores, eletrônicos, têxteis, produtos domésticos, automóveis, construção.

Conclusão

A introdução do corte a laser trouxe benefícios valiosos à manufatura. A máquina corta muitos materiais de uma vez, economizando tempo e reduzindo custos operacionais. Entender prós e contras ajuda a fazer a melhor escolha para seu projeto.