Corte a laser explicado:técnicas, tipos e aplicações

Existem vários usos para o corte a laser, uma técnica térmica, na produção industrial. Mesmo as chapas de metal com formatos mais complexos podem ser rapidamente gravadas e cortadas por dispositivos de corte a laser, proporcionando resultados superiores.

Um cortador a laser é um dispositivo que cria componentes bidimensionais para uso industrial e amador, cortando uma variedade de materiais de chapa ou folha usando um feixe de laser focado de alta energia. Aço, madeira e alguns polímeros são materiais comuns.

Além de delinear as distinções entre os diferentes métodos de corte a laser. Bem, nesta leitura, exploraremos o que é corte a laser, seus usos, tipos, materiais e como funciona. também falaremos sobre suas vantagens e desvantagens.

Vamos começar!

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O corte a laser é o método de corte de materiais usando um laser de alta potência guiado por controle numérico computadorizado (CNC) via óptica.

Este método é comumente usado para cortar materiais, incluindo metais, plásticos, cerâmica, madeira, têxteis e papel, em diversos setores, incluindo automotivo, aeroespacial, eletrônico e médico.

Com a ajuda de um jato de gás coaxial, um feixe de laser concentrado é utilizado no corte a laser para derreter o material em um local específico e produzir um corte. O gás não tem influência sobre o feixe de laser em si, mas pode queimar, derreter ou evaporar objetos com eficiência.

Quaisquer detritos resultantes podem ser removidos, garantindo uma borda final de alta qualidade. A gravação e a soldagem também podem ser feitas com corte a laser.

Lasers de neodímio (Nd), lasers de CO₂ e lasers de neodímio ítrio-alumínio-granada (Nd:YAG) são os três métodos principais de corte a laser. O desempenho de um laser pode ser influenciado pelo seu tipo.

Precisão, precisão, menos contaminação e fixação mais simples são alguns benefícios do corte a laser. Especificamente, os lasers de fibra são conhecidos por suas excepcionais capacidades de corte de precisão.

A capacidade dos lasers de fibra de fornecer uma qualidade de feixe constante em longas distâncias é uma de suas principais vantagens; isso permite o corte uniforme em uma variedade de materiais e espessuras. Essa uniformidade reduz a necessidade de processamento adicional e melhora a qualidade da borda.

Amplificação de luz por emissão estimulada de radiação", ou "Laser", é uma abreviatura que se refere à física de produção de luz laser. Embora os princípios básicos da física do laser ainda sejam os mesmos, esta tecnologia é frequentemente usada de três maneiras:lasers Nd:YAG, CO2 e fibra.

Usos comuns do corte a laser

• O corte de chapas metálicas é uma técnica comum para cortar chapas e chapas de diferentes materiais.
• Gravação:adiciona marcações elegantes de madeira ou números de série a praticamente qualquer material.
• Soldagem a laser:Usando um feixe de laser, metais ou termoplásticos podem ser unidos com precisão.
• Corte de tubo:este método corta perfis complexos em peças ocas usando um eixo rotativo.

Diagrama

Tipos de corte a laser

Três tipos diferentes de laser são frequentemente usados em aplicações de corte a laser. Em contraste com a fibra de estado sólido e o Nd, os lasers de CO2 empregam CO2 juntamente com vários gases inertes como meio de laser. Um cristal serve como meio de laser nos lasers YAG. Todos esses vários lasers funcionam essencialmente com a mesma premissa.

Lasers Nd:YAG/Nd:YVO

Um cristal de granada de ítrio-alumínio dopado com neodímio (Nd) (Y₃Al₅O₁₂) é usado em um laser Nd:YAG. Alguns íons de ítrio (+-1%) são trocados por íons Nd³⁺ devido ao doping.

Dois espelhos, um totalmente refletivo e outro semi-reflexivo, estão posicionados entre este cristal. Um conjunto de diodos laser ou um tubo de flash de xenônio/criptônio serve como fonte de bombeamento de fótons.

A fonte de bombeamento nos cristais Nd:YAG fornece fótons que elevam o nível de energia dos íons de neodímio. Depois de serem espelhados entre os espelhos, os íons decaem e emitem uma série de fótons que se combinam para formar um feixe de laser coerente.

Uma lente na cabeça de corte é usada para concentrar o feixe de luz coerente e de alta intensidade, que tem frequência de 1064 nm, após ter sido direcionado a ela por espelhos.

Cristais de vanadato dopados com neodímio (YVO₄) são usados em lasers Nd:YVO, que funcionam de forma semelhante aos lasers Nd:YAG. Os lasers Nd:YVO, por outro lado, podem produzir mais pulsos por segundo, ter melhor estabilidade de potência e emitir menos calor.

Os lasers Nd:YAG são perfeitos para marcação e gravação porque oferecem maior densidade de potência e melhor qualidade de feixe do que os lasers de fibra. Os lasers Nd:YAG, por outro lado, apresentam eficiência energética de um dígito e custos operacionais significativamente mais elevados.

Lasers de fibra

Um cabo de fibra óptica dopado serve como meio de laser em lasers de fibra. Os fótons são bombeados para uma extremidade de um filamento de fibra óptica com núcleo de vidro de quartzo ou silicato de boro para criar um feixe de laser de fibra.

Esses fótons seguem o filamento da fibra óptica até chegarem à região dosada com elementos de terras raras. Neodímio, ítrio, érbio ou túlio são exemplos de elementos típicos.

Quando estimulados pelos fótons, cada um desses elementos de terras raras gerará um laser com comprimento de onda distinto. Grades de fibra Bragg são então usadas para aumentar a luz.

Semelhante aos espelhos refletores e semi-reflexivos usados nos lasers Nd:YAG e CO2, essas grades refletem a luz para frente e para trás, produzindo uma cascata de fótons.

A luz pode passar pela grade como um feixe de luz coerente de alta intensidade, uma vez que a intensidade excede um limite específico. Semelhante a outros lasers, um laser de fibra usa gás para ajudar a facilitar o corte ou para expulsar o material fundido do caminho do feixe de laser.

Os comprimentos de onda normalmente mais curtos dos lasers de fibra resultam em maior absorção, tornando-os ideais para refletir materiais e produzir menos calor durante o corte.

Por exemplo, uma cabeça de corte de fibra pode ser facilmente conectada a um braço robótico de 6 eixos devido à flexibilidade do cabo de fibra óptica, eliminando a necessidade de numerosos espelhos para direcionar o laser, o que é necessário para um laser CO₂ ou Nd:YAG.

A eficiência elétrica dos lasers de fibra é melhor que a dos lasers de CO₂. Por esse motivo, materiais refletivos e materiais que absorvem o calor de maneira eficaz, como cobre ou ouro, são ideais para corte com lasers de fibra.

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Lasers de CO₂

Os componentes de um laser de CO₂ (dióxido de carbono) são um tubo cheio de CO₂, hélio e nitrogênio gasoso. Hélio e nitrogênio são adicionados para aumentar a eficiência do laser. O nitrogênio serve como uma reserva de energia de curto prazo que pode ser transferida para a molécula de CO₂ após a liberação do fóton.

Em contraste, uma vez que a molécula de CO₂ liberta um fotão, o hélio utiliza a transferência de energia cinética para drenar qualquer energia residual, permitindo-lhe absorver energia da molécula de azoto.

O tubo possui um espelho totalmente refletivo em uma extremidade. Há apenas reflexão parcial do espelho na extremidade oposta. O gás do tubo é ionizado por um poderoso campo elétrico que excita os elétrons das moléculas de CO₂ para um estado de energia mais elevado, produzindo um fóton e luz.

O estado excitado de um átomo libera um fóton quando um fóton passa próximo a ele. Então, uma vez reunidos fótons suficientes para fluir através do espelho semi-reflexivo, esses fótons ricocheteiam nos dois espelhos.

O tubo é resfriado usando um gás ou líquido de baixa temperatura porque manter uma temperatura baixa dentro do tubo é essencial para obter eficiência máxima. Em certos sistemas, o gás é reciclado para reduzir as despesas operacionais.

Os lasers de CO₂ são bons lasers para todos os fins, com comprimento de onda de 10.600 nm, que podem cortar chapas e placas de metal, bem como uma variedade de outros materiais. Alta absorção de calor e materiais altamente refletivos, entretanto, são difíceis de trabalhar com lasers de CO₂.

Processo de corte a laser

Normalmente, uma boa lente é utilizada para concentrar o feixe de laser na área de trabalho. O tamanho do ponto concentrado está diretamente relacionado à qualidade do feixe. Normalmente, a seção mais estreita do feixe concentrado tem uma largura inferior a 0,0125 polegadas (0,32 mm).

Larguras de corte de até 0,004 polegadas (0,10 mm) são possíveis, dependendo da espessura do material. Cada corte começa com um furo para que a lâmina possa começar em algum lugar diferente da borda.

Um feixe de laser pulsado de alta potência é frequentemente usado para perfuração, o que leva de 5 a 15 segundos para materiais como aço inoxidável de 13 mm de espessura.

Os feixes de luz coerentes paralelos da fonte de laser normalmente têm um diâmetro de 0,06 a 0,08 polegadas (1,5 a 2,0 mm). Para gerar um feixe de laser extremamente poderoso, esse feixe é frequentemente concentrado e aprimorado por uma lente ou espelho até uma área muito pequena de cerca de 0,001 polegadas (0,025 mm).

A direção da polarização do feixe deve ser ajustada à medida que ele circunda a borda de uma peça contornada para fornecer o acabamento mais limpo possível durante o corte de contorno. O comprimento de foco para corte de chapa metálica é normalmente de 38 a 76 mm (1,5 a 3 polegadas).

Comparado ao corte mecânico, o corte a laser tem as vantagens de uma fixação mais simples do trabalho e menor contaminação da peça, uma vez que não há aresta de corte que possa contaminar o material.

Como o feixe de laser não se desgasta durante o procedimento, a precisão pode ser melhorada. Além disso, como os sistemas a laser possuem apenas uma pequena zona afetada pelo calor, há menos perigo de distorcer o material que está sendo cortado.

Além disso, certos materiais são impossíveis ou extremamente difíceis de cortar utilizando métodos convencionais. Embora a maioria dos lasers industriais não consiga cortar o metal mais espesso que o plasma consegue, o corte a laser de metais tem a vantagem de ser mais preciso e consumir menos energia ao cortar chapas metálicas.

Embora seu custo de capital seja significativamente maior do que o das máquinas de corte a plasma que podem cortar materiais espessos como chapas de aço, as máquinas a laser mais recentes operando com potência mais alta (6.000 watts, em comparação com as classificações de 1.500 watts das primeiras máquinas de corte a laser) estão se aproximando das máquinas de plasma em sua capacidade de cortar materiais espessos.

Materiais comuns de corte a laser

Uma variedade de materiais pode ser cortada com cortadores a laser. A seguir está uma lista de alguns dos materiais fatiados com mais frequência:

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Feltro

O feltro é um tecido não tecido barato que é difícil de cortar à mão, mas é facilmente cortado com um cortador a laser. Jogos americanos, remendos ornamentais e roupas podem ser feitos de feltro. É aconselhável usar feltro 95–100% lã, pois o feltro sintético, que geralmente é composto de acrílico, corta muito mal.

Couro

Carteiras, cintos e sapatos são todos feitos de couro, um material natural e durável. O couro tem um alto valor percebido e é facilmente cortado e gravado a laser, principalmente quando usado para fazer objetos personalizados cortados a laser.

Couro falso é um termo usado para descrever couro falso. Enquanto isso, alguns deles podem incluir o PVC, que, quando cortado a laser, libera gases corrosivos.

cortiça

A casca do sobreiro produz cortiça, uma substância macia de madeira dura que é frequentemente usada em quadros de avisos, bases para montanhas-russas antiderrapantes e palmilhas de sapatos. É muito fácil cortar e gravar cortiça a laser.

Painel duro

O hardboard é uma opção mais resistente e durável do que o MDF (Medium Density Fiberboard), embora seja mais denso. Uma cola é usada para unir as fibras da madeira.

Este adesivo vaporiza durante o corte. Isso emite gases nocivos que exigem o uso de um sistema de exaustão. Como o cartão duro é homogêneo, o corte e a gravação são confiáveis.

Madeira

Lasers de CO2 com potência relativamente modesta (150–800 W) podem cortar madeira facilmente. No entanto, como o corte a laser da madeira produz fumaça, um sistema de exaustão é essencial.

Devido à sua estrutura granular, as madeiras naturais podem apresentar acabamentos irregulares quando cortadas ou gravadas. É possível cortar a laser madeiras nobres e macias.

Latão

Cobre, zinco e alguns outros metais de liga secundária combinam-se para formar latão. O latão tem atrito mínimo, condutividade elétrica e resistência à corrosão. Aplicações elétricas e buchas de baixo atrito são usos comuns.

Alumínio

Uma variedade de ligas de alumínio com vários componentes e usos de liga são coletivamente chamadas de alumínio. Devido à sua relação resistência-peso favorável, o alumínio é frequentemente utilizado em aplicações aeronáuticas.

Quando derretido, o alumínio é reflexivo, o que torna o corte um desafio. Embora o alumínio possa ser cortado com laser de CO2, o laser de fibra é a ferramenta mais eficaz para cortar alumínio.

Aço inoxidável

O cromo e/ou níquel são os principais elementos de liga encontrados no aço inoxidável, que é classificado como liga de aço. Uma grande variedade de substâncias não pode danificar os aços inoxidáveis. Qualquer método de corte a laser pode cortar facilmente aço inoxidável. Mas para cortar aço inoxidável, os lasers de fibra funcionam melhor.

Aço doce ou aço carbono

Uma ampla variedade de aços com diferentes concentrações de carbono como principal ingrediente de liga são chamados de “aço carbono”. Outro tipo de aço carbono com teor de carbono inferior a 0,3% é o aço-carbono. O aço fica mais forte quanto mais carbono tiver. Placas com espessura de 20 a 25 mm podem ser cortadas por lasers de alta potência.

PMMA ou acrílico

Embora o acrílico crie uma ponta limpa, os vapores voláteis que ele emite exigem um sistema de exaustão. Para firmar a borda cortada, a pressão do gás precisa ser ajustada para dissipar os vapores e resfriá-la.

Quando a borda cortada ainda estiver derretida, muita pressão de ar fará com que ela dobre. O acrílico às vezes é referido pelo seu nome químico, polimetilmetacrilato, ou pelo seu nome comercial, Perspex®.

Como funciona o corte a laser?

Um laser de alta potência é usado no corte a laser, e o feixe ou material é guiado por óptica e controle numérico computadorizado (CNC). A técnica geralmente segue um código CNC ou G do desenho a ser cortado no material usando um sistema de controle de movimento.

O feixe de laser concentrado produz uma borda com acabamento superficial superior ao queimar, derreter, vaporizar ou ser expelido por um jato de gás. Descargas elétricas ou lâmpadas dentro de um recipiente fechado estimulam os materiais do laser a produzir o feixe de laser.

Um espelho parcial é usado para refletir o material do laser interno, amplificando-o até que sua energia seja suficiente para permitir que ele saia como um fluxo de luz monocromática coerente. Os espelhos ou as fibras ópticas focam esta luz na área de trabalho, guiando o feixe através de uma lente que o realça.

O diâmetro de um feixe de laser em seu ponto mais estreito é normalmente inferior a 0,0125 polegadas (0,32 mm), no entanto, dependendo da espessura do material, larguras de corte tão finas quanto 0,004 polegadas (0,10 mm) são viáveis.

Um procedimento de perfuração é utilizado quando o processo de corte a laser precisa começar em algum lugar diferente da borda do material. Neste método, um laser pulsado de alta intensidade cria um buraco no material; por exemplo, leva de 5 a 15 segundos para queimar uma folha de aço inoxidável com 13 mm de espessura.

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Vantagens do corte a laser

Um método industrial popular é o corte a laser. Alguns dos principais benefícios que contribuem para o uso generalizado dos cortadores a laser na fabricação estão listados abaixo:

1. Materiais versáteis:Quase qualquer material pode ser processado por cortadores a laser. O material que está sendo cortado, a potência do laser e a tecnologia do laser têm um impacto significativo na espessura máxima do material que um cortador a laser pode cortar.
2. Pós-processamento restrito:peças cortadas a laser não precisam de muito pós-processamento. As bordas cortadas, no entanto, podem precisar ser rebarbadas em algumas situações, como ao cortar metal, porque pode haver alguma escória aderida à borda.
3. Cortes estreitos:dependendo do material e da espessura, os lasers podem focar em feixes extremamente estreitos, permitindo larguras de corte extremamente pequenas (apenas 0,1 mm).
4. Alta precisão:Ao contrário de outras tecnologias, como roteadores CNC, os cortadores a laser não sobrecarregam suas cabeças. Os cortadores a laser são, portanto, incrivelmente exatos e precisos.
5. Alta velocidade:perfis 2D podem ser rapidamente esculpidos por cortadores a laser. Altas velocidades podem ser alcançadas ao cortar materiais flexíveis como plástico.
6. Automatizado:muita automação é necessária nos cortadores a laser. Certas máquinas podem até descarregar peças e colocar matérias-primas na base de corte com pouca ajuda humana.
7. Custos de ferramentas:Uma variedade de ferramentas não são usadas por cortadores a laser, ao contrário da usinagem CNC. Como a cabeça do cortador a laser não entra em contato com a matéria-prima, não há desgaste da ferramenta por fricção.
8. Sem fixação de trabalho:Grampos e outras ferramentas de fixação não são necessários para o corte dos cortadores a laser. Basta colocar o material na base de corte; ele não se moverá durante o corte.

Desvantagens do corte a laser

Mesmo com todos os seus benefícios, o corte a laser ainda apresenta diversas desvantagens, que são detalhadas a seguir:

1. Alto consumo de eletricidade:o corte a laser, especialmente a tecnologia de corte a laser CO2, consome muita eletricidade.
2. Espessura Limitada:A espessura que os cortadores a laser podem cortar é limitada pela mecânica de direcionar um feixe de laser para um ponto de alta intensidade. Normalmente, eles são restritos a materiais que são chapas e chapas e têm espessura máxima de 25 mm. Embora materiais mais espessos possam ser cortados, as empresas de fabricação comuns nem sempre fazem isso.
3. Vapores perigosos:Ao cortar certos materiais, como plástico ou madeira, podem ser produzidos fumos de combustão perigosos, que precisam ser liberados.
4. Manutenção cara:o tubo do laser é um item desgastado que precisa ser atualizado, muitas vezes com um custo alto, em algumas tecnologias de laser (como o CO2).
5. Alto custo inicial:Os cortadores a laser exigem um grande desembolso de capital inicial. Tecnologia mais barata, como cortadores de plasma ou chama, pode ser mais apropriada em algumas circunstâncias.

Perguntas frequentes

O que significa corte a laser?

O método conhecido como corte a laser cria uma borda de corte ao vaporizar materiais com um laser. Embora tenha sido originalmente usado para produção industrial, escolas, pequenas empresas, arquitetos e amadores o utilizam cada vez mais.

Quanto custa o corte a laser?

O custo do tempo de produção para gravação e corte a laser é de £ 1 por minuto. Um serviço de 30 minutos custará £30, incluindo suprimentos e taxas de instalação da obra de arte. O tempo de produção seria de £ 60 se demorasse uma hora. Dependendo da complexidade e do nível de intensidade do trabalho, um desconto pode estar disponível para trabalhos maiores.

Qual é o método de corte a laser?

No processo de corte a laser, um feixe de laser é focado em um pequeno ponto com densidade de potência suficiente para criar um corte a laser, geralmente usando uma lente (e ocasionalmente um espelho côncavo). A distância entre a lente e o ponto focado, ou distância focal, define a lente.

Para que serve o corte a laser?

À medida que o calor é transmitido através do leito para cortar seções da folha de material, ele derrete e frequentemente vaporiza o material. As peças são retiradas e podem ser processadas posteriormente. Entre os muitos usos dos cortadores a laser estão gravação, corte de tubos, soldagem a laser e corte de chapas e chapas metálicas.

Por que o laser é tão caro?

Esses elementos incluem o custo de manutenção e reparos de máquinas, o custo de certificação e treinamento de técnicos e as despesas gerais relacionadas à operação de um spa ou clínica médica. 18 de março de 2023