Usinagem por Feixe de Laser Explicada: Tipos, Processos 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.

LBM 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, excímer.

Gases comumente usados: He-Ne, Ar, laser de dióxido de carbono.

Lasers de estado sólido são projetados dopando elemento raro em vários materiais hospedeiros. Ao contrário de lasers a gás, são bombeados ópticamente por lâmpadas de flash ou arco. Rubi é material hospedeiro frequente.

Laser de rubi é laser de estado sólido cujo meio é cristal de rubi sintético. Haste de rubi sintético é bombeada ópticamente usando tubo de flash de xenônio antes de ser usada como meio ativo.

YAG é abreviação de granada de ítrio-alumínio, cristais usados para lasers de estado sólido. Nd:YAG refere-se a cristais de granada de ítrio-alumínio dopados com neodímio usados como meio laser.

Lasers YAG emitem comprimento de onda de ondas de luz com alta energia. Nd:vidro é meio de ganho dopado com neodímio feito de materiais silicato ou fosfato usados 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 alimentado, 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 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 ampliada para facilitar operação na marca da peça.

6. Peça de Trabalho

Objeto onde operação é realizada. Ex: se corpo precisa de operação a laser, somos a peça para esta máquina; na manufatura, objetos a furar ou perfurar.

Princípio de Funcionamento da Usinagem por Feixe de Laser

Neste processo, o Feixe de Laser é chamado luz monocromática, focalizada na peça a usinar por lente para dar densidade de energia extremamente alta para derreter e vaporizar qualquer material.

O Cristal Laser (Rubi) é cilindro 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 produzido é extremamente estreito e focalizável em área de ponta com densidade de potência de 1000 kW/cm². Produz alto calor e a porção do metal derrete e vaporiza.

Aplicações da Usinagem por Feixe de Laser

Lasers usados para soldagem, revestimento, marcação, tratamento de superfície, furação, corte, entre outros processos de manufatura. Usado em automóvel, construção naval, aeroespacial, aço, eletrônica e indústrias médicas para usinagem de precisão de peças complexas.

Soldagem a laser vantajosa: velocidade 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: pouco ou nenhum desgaste na ferramenta de corte pois não há contato para causar dano.

Fresamento a laser é processo tridimensional requerendo dois lasers, mas reduz drasticamente custos de usinagem. Lasers alteram propriedades superficiais de peça.

Aplicação varia por indústria. Em manufatura leve, usado para gravar e furar outros metais. Em eletrônica, para decapagem de fios e escarificação de circuitos. Em médica, para cirurgia cosmética e remoção de pelos.

Vantagens da Usinagem por Feixe de Laser

• Raios monocromáticos e paralelos (etendue zero) focalizáveis em pequeno diâmetro, produzindo 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 a baixa taxa de desgaste, sem contato físico entre ferramenta e peça.
• Usinagem de alta precisão, a maioria não requer acabamento adicional.
• Feixes combinados com gases para corte mais eficiente, minimizar oxidação, manter superfície livre de material derretido/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, 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.

Perguntas Frequentes

O que é Usinagem por Feixe de Laser?

Forma de usinagem que usa calor direcionado 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. Por ser processo sem contato, transferência de energia ocorre por irradiação.

Qual laser é usado na usinagem por feixe de laser?

Tipos: lasers a gás como CO2 e excímer, lasers de estado sólido como Nd:YAG, YAG e femtossegundo, entre os mais populares.

Qual o princípio da usinagem por feixe de laser?

Focaliza na peça a usinar este feixe produzido. Quando atinge superfícies da peça, energia térmica transferida. Aquece, derrete, evapora e torna material uma peça.

Quais as características do feixe de laser?

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

Qual material laser usado no processo LBM?

Vários tipos desenvolvidos na categoria estado sólido 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 permitiram processamento a laser de praticamente qualquer material com precisão e eficiência sem precedentes.

Usinagem por feixe de laser requer vácuo durante toda operação?

Não. LBM é mais versátil, usado 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 a 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 amplificado por radiação estimulada. Três propriedades: coerência, colimação, monocromaticidade. Produzem pequeno ponto focal de potência intensa.

Quais materiais podem ser usinados usando feixe de laser?

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

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

Radiação laser excedendo certa densidade de potência produz fusão e vaporização de material e ejeção de partículas sólidas. Com aumento de diâmetro e profundidade, partículas ejetadas derretem e depositam nas paredes e fundo, não adequado para furação profunda.

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

Usinagem muito rápida e tempos de configuração econômicos em LBM.

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

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

O que a tecnologia a laser faz?

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

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

• Para ação do laser, população de átomos em estado de energia superior deve aumentar. Processo de aumentar população de nível superior (N2 > N1) chamado inversão de população.
• Método de alcançar inversão chamado bombeamento.

Quais as aplicações da usinagem a laser?

Soldagem, revestimento, marcação, tratamento de superfície, furação, corte entre outros processos. Usado em automóvel, construção naval, aeroespacial, aço, eletrônica, médica para usinagem de precisão de peças complexas.

Feixe de elétrons usado em usinagem por feixe de laser?

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

Quem inventou o feixe de laser?

Theodore Maiman, Hughes Research Laboratories, primeiro laser funcional. Desenvolveu primeiro laser funcional 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 prevenir visualização do feixe direto. Medidas enfatizam prevenir exposição do olho ao feixe primário ou refletido.

LBM é uma limitação?

Aplicável apenas para seções finas e onde pequena quantidade de material removida. Controle de tamanho de 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. Exemplo de avanço científico com impacto revolucionário na vida diária. Laser significa amplificação de luz por emissão estimulada de radiação.

Lasers cortam metal?

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