Em seus 50 anos de história, o laser foi definitivamente incorporado a diversos processos de fabricação industrial, sendo o segundo setor em vendas de laser no mundo, atrás apenas das telecomunicações. Desde o seu início, o uso de lasers tem sido difundido em aplicações de corte, soldagem e perfuração em diversos setores, como automotivo, naval e aeroespacial. Outras aplicações como a marcação estão presentes em numerosos processos industriais em diversos setores como o cerâmico ou o têxtil. Além disso, esta evolução não parou e novas aplicações continuam a surgir, de forma significativa, como o tratamento de superfícies e o processamento de materiais não metálicos.
Este artigo apresenta um resumo dessas aplicações do laser na indústria e algumas das linhas de pesquisa no processamento de materiais com laser do ponto de vista de sua fundação, suas vantagens e desvantagens, bem como as tecnologias e sistemas usado. Para cada uma das aplicações aqui apresentadas, existem diferentes variantes ou estratégias de processamento, uma variedade de sistemas, componentes e uma infinidade de exemplos, embora os nomeemos apenas brevemente, pois os detalhes estão além do propósito deste artigo
A interação dos lasers e da matéria no processamento
Como sabemos, a luz laser caracteriza-se por ser coerente, monocromática e direcional. Devido a estas propriedades, a energia do laser pode ser concentrada (utilizando os elementos ópticos apropriados) em áreas muito pequenas da superfície de um material, aspecto decisivo em muitas das suas aplicações industriais. As principais características do laser que determinam a interação laser-matéria são: duração da interação, intensidade de pico e comprimento de onda. Os lasers mais utilizados no processamento de materiais são os lasers CO2 e Nd:YAG. No entanto, e devido à quantidade e variedade de aplicações já mencionadas, outros tipos de lasers como lasers de fibra óptica, lasers excimer, lasers de díodos e lasers de impulsos curtos e ultracurtos são cada vez mais utilizados.
Ao estudar a interação laser-matéria, também é importante conhecer e estudar como as propriedades do material variam durante o processamento, tanto ópticas (refletividade, absorbância) quanto térmicas (difusão e condutividade térmica, calor latente e vaporização). ) ou estrutural (mudanças de fase cristalina, amorfização).
O laser e seus elementos
Esses sistemas possuem, em resumo, os seguintes elementos:
1. A fonte de luz laser. As propriedades do feixe de laser que influenciam o processamento do laser são o tamanho e a forma do ponto de foco, potência, polarização, comprimento de onda e perfil temporal do pulso. Normalmente as fontes utilizadas são lasers de CO 2 e Nd:YAG, estes últimos com a vantagem de poderem ser acoplados a uma fibra óptica.
2. Mecanismo que permite a interrupção do feixe. Por exemplo, um espelho móvel pode executar essa função posicionando-se no caminho do feixe e enviando-o para um dissipador de calor.
3. Um dispositivo para guiar o feixe para a zona de interação, como
por exemplo, um sistema de fibra óptica (normalmente manipulado
usando um robô) ou um conjunto de espelhos.
4. A óptica de foco, que pode ser de transmissão (lentes) ou de reflexão (espelhos).
5. Um bico que fornece o fluxo de gás necessário para, entre outros motivos, proteger a óptica de detritos e resfriar a área de processamento.
6. Sistema de posicionamento que movimenta a peça em relação ao feixe de laser ou, no caso de peças grandes, a cabeça do laser sobre o material (pórticos robotizados).
A imagem a seguir mostra como exemplo o esquema simplificado de um sistema de processamento a laser com óptica de transmissão.
Corte a laser
Na prática, o corte a laser é um problema de múltiplos parâmetros operacionais que devem ser otimizados para cada aplicação. Os fundamentais são: potência do laser, velocidade de avanço (velocidade relativa entre a cabeça que focaliza o laser e a peça, que determina o tempo de interação do laser com o material), tamanho do ponto de foco e espessura do material.
Quando comparado a outros processos de fabricação, as principais vantagens do processo de corte a laser em ambientes produtivos são, por um lado, a alta velocidade de corte, por outro lado, o fato de não haver deterioração da ferramenta — como não há contato entre a peça e o cabeçote do laser – e finalmente a flexibilidade do processo – não há trocas de ferramentas, mas sim mudanças de programação. Por todas estas razões, o processo é relativamente fácil de automatizar e integrar em linhas de produção robóticas.
Dentro do corte a laser e considerando o mecanismo e os processos
processos físicos que dão origem à separação das peças, costumamos falar de corte a laser por vaporização, por fusão reativa, por fusão controlada, por perfuração, por gás estabilizado por laser ou corte a frio, sendo o corte por fusão o mais generalizado. . Em geral, as vantagens qualitativas do corte a laser em comparação com outras técnicas podem ser resumidas como:
O tamanho da ranhura de corte pode ser muito estreito, o que significa economia de material
As bordas podem ser lisas e limpas, sem rebarbas, para que nenhum tratamento ou limpeza adicional seja necessário. Desta forma, as peças podem ser soldadas diretamente sem preparação prévia.
A zona afetada pelo calor (ZTA) é muito pequena. Normalmente há uma camada solidificada de dimensões microscópicas, portanto não aparecem distorções.
As principais restrições do processo são o alto custo de
equipamento e a limitação da espessura do material que pode ser cortado. Embora este valor dependa da potência do laser e do material em questão, para um corte de alta qualidade a faixa de corrente está entre 10 e 20 mm e, no caso de chapas metálicas, o limite da espessura de corte é em torno de 25 mm.< /p>
Pela sua rapidez, qualidade e capacidade de flexibilidade e adaptabilidade aos ambientes de produção, as indústrias que utilizam esta tecnologia são, principalmente, as indústrias automobilística e naval
Da mesma forma, pelas suas características, este processo é aplicado a outros materiais, como os utilizados na indústria aeroespacial ou têxtil. Vejamos alguns exemplos concretos de aplicações de corte a laser:
Corte de materiais têxteis: em geral, o corte a laser de tecidos de vestuário não vale a pena porque é lento e há risco de as peças empilhadas grudarem nas bordas. No entanto, o laser é muito útil para cortar materiais grossos, como tapetes, capas de assentos, etc.
Materiais de corte para a indústria aeroespacial: as ligas de titânio também são cortadas muito rapidamente e o mesmo se aplica ao alumínio e ao aço inoxidável, que podem então ser soldados diretamente.
Corte de fibra de vidro: o laser reduz a poeira gerada e o aparecimento de rachaduras nas bordas.
Corte Kevlar: Kevlar é um polímero muito utilizado por sua leveza e resistência, por exemplo: em coletes à prova de balas. O laser é uma das poucas técnicas que permite cortá-lo.
Soldagem a laser
A soldagem a laser é a segunda aplicação mais difundida de lasers na indústria depois do corte, registrando-se um aumento progressivo de sistemas instalados. O sistema de soldagem a laser é semelhante ao sistema de corte, necessitando também de entrada de gás, mas neste caso atua como atmosfera protetora para o material fundido.
Existem essencialmente duas maneiras de soldagem a laser, o que é conhecido como soldagem por condução limitada e soldagem por penetração
Na soldagem com condução limitada, o material funde onde a temperatura de fusão é atingida, mantendo a intensidade do laser sempre abaixo do limite para produzir evaporação. O feixe de laser funde o material no ponto focal e, por condução de calor pela peça, o material adjacente derrete, obtendo um cordão com perfil semicircular. Este método é utilizado especialmente para peças finas, conseguindo ótimos acabamentos superficiais.
Na soldagem por penetração, altas intensidades produzem
evaporação do material, criando um buraco em forma de fechadura (conhecido como buraco de fechadura) que permite aumentar a absorção da radiação devido às múltiplas reflexões nas suas paredes e à subsequente fusão do material. Isto é muito importante em materiais com alta refletância nos comprimentos de onda de trabalho. O material na fase líquida solidifica rapidamente à medida que o feixe de laser avança, formando assim o cordão de solda. Usando este método, são alcançadas profundidades de soldagem muito grandes e, portanto, peças mais espessas podem ser soldadas.
O controle dos parâmetros do processo como energias, focagem e as diferentes configurações geométricas da junta, permitem obter ótimos resultados. A soldadura a laser caracteriza-se pela elevada qualidade do cordão pelo que, na maioria dos casos, não é necessário pós-processamento.
Assim como o corte a laser, as principais razões para sua implementação industrial em larga escala são:
A velocidade do processo.
A troca de ferramentas é evitada, pois não há contato.
Adapta-se muito bem a vários materiais de diferentes espessuras.
Facilmente integrado em linhas de produção robóticas, como linhas de montagem na indústria automotiva.
A soldagem a laser possui alta flexibilidade em termos de integração nos processos de produção e possíveis configurações geométricas. As aplicações da soldagem a laser são diversas: extintores de incêndio, tubos grossos, chapas metálicas de máquinas de lavar, construção naval, baterias de lítio e principalmente, a soldagem a laser é um processo crucial nas linhas de montagem de peças de chassis automotivos.
Perfuração e perfuração a laser
Os sistemas utilizados na perfuração e perfuração a laser são semelhantes aos já apresentados na seção anterior, mas normalmente são utilizadas fontes de laser pulsadas, concentrando uma grande quantidade de energia em um tempo muito curto, produzindo assim a evaporação do material. Além disso, o comprimento de onda é um parâmetro importante que determina o tamanho dos furos. A qualidade espacial da viga é fundamental para a obtenção de perfurações com geometrias corretas em seção e profundidade. A profundidade da perfuração depende da energia dos pulsos e do seu número e, claro, do tipo e propriedades do material.
A principal limitação da perfuração a laser é a profundidade
penetração. Isto poderia ser aumentado com mais pulsos ou com pulsos de maior energia, mas esta estratégia pode afetar sua qualidade devido à absorção de energia em áreas adjacentes. Neste caso, a solução é utilizar lasers com comprimentos de onda muito curtos ou pulsos ultracurtos, para evitar o transporte de calor.
As vantagens da perfuração a laser são análogas às do corte e
soldagem, com algumas características únicas:
O operador tem controle automático sobre o tamanho das brocas e sua quantidade.
Ao controlar o perfil espacial da viga, podem ser obtidos furos de diferentes geometrias.
Os sistemas industriais incluem a separação das linhas de processamento, para que várias fileiras de furos possam ser produzidas simultaneamente, reduzindo os tempos de processamento.
Quanto aos resultados obtidos, a furação a laser caracteriza-se pela precisão e qualidades alcançadas, principalmente pela ausência de rebarbas, tornando desnecessário o pós-processamento ou tratamento de acabamento.
Além das limitações impostas pela profundidade de penetração, existem outras dificuldades associadas ao tamanho e geometria da seção de perfuração. Para obter diâmetros de furo maiores que o tamanho do foco, podem ser utilizadas estratégias de trepanação, que consistem em movimentar o feixe do eixo do sistema de focagem por meio de um sistema optomecânico, como um sistema de cunhas ópticas. As brocas a laser tendem a adotar um formato de cone invertido com o ápice na parte mais profunda. Porém, é possível conseguir outras seções e até variar a seção ao longo da broca combinando elementos ópticos e mecânicos.
Marcado
Outra tecnologia laser fortemente enraizada na indústria é a marcação, que consiste em registrar e codificar qualquer tipo de informação na superfície de um produto, como o logotipo da marca que o fabrica e vende ou distribui. .
Existem diferentes técnicas de marcação, sendo as mais comuns:
Marcação por matriz de pontos ou gravação: consiste em marcar uma série
de pontos que traçam os caracteres ou figuras desejadas por meio de um
sistema de varredura. Isto pode ser conseguido de duas maneiras, por meio de trocadilhos.
tosse ou pixels que criam uma imagem binária cuja qualidade dependerá de
a resolução, ou através de linhas, com gráficos vetoriais.
Marcação por imagem ou por máscara: consiste na marcação por projeção do
imagem de máscara na peça com auxílio de lente. O
a marca pode ser obtida por vários processos: remoção de uma camada
superfície com cor diferente da peça, mudança de cor devido a alguma reação termoquímica ou fotoquímica, modificação da
refletância da superfície para que seja produzido um alto contraste.
Quanto aos lasers utilizados, tradicionalmente têm sido utilizados lasers de estado sólido (Nd:YAG) bombeados por lâmpadas, embora atualmente, devido à sua eficiência e desenvolvimento, os lasers de diodo sejam mais utilizados.
Em qualquer caso, a marcação a laser é um tratamento de superfície em que a luz absorvida permite modificar a superfície quer por fusão e resolidificação, reação fotoquímica ou por ablação. Em geral, é necessária uma boa absorção de luz no material para que o processo seja eficiente, econômico e também esteticamente atraente. A profundidade de penetração da luz deve ser suficiente, mas não excessiva e, portanto, a escolha de um laser adequado para cada tipo de material é talvez o elemento chave. Normalmente, e dado que o processamento é menos agressivo, as fontes de laser utilizadas são de potência inferior às descritas acima e, portanto, o processo é mais económico.
Entre os materiais adequados para marcação a laser estão: plásticos, metais, cerâmicas, semicondutores, vidro e papel. Esta versatilidade da marcação a laser significa que podem ser identificados numerosos produtos de consumo em casa ou no local de trabalho que foram marcados a laser. Na tabela a seguir você pode ver um resumo das diferentes aplicações e materiais marcados a laser junto com os lasers mais utilizados.
Tratamentos superficiais
Ao contrário dos processos estudados até agora, no caso dos tratamentos de superfície busca-se sobretudo uma distribuição
distribuição espacial adequada da energia na superfície dos materiais, de forma a modificar algumas das suas propriedades, sejam elas mecânicas, químicas, ópticas ou estéticas, entre outras. Este grupo de aplicações inclui têmpera, aplicação de revestimentos, texturização e tratamento por ondas de choque.
O revenimento superficial é um tratamento térmico no qual a microestrutura do material superficial é modificada para obter uma melhoria nas propriedades mecânicas, como dureza e resistência à fadiga, em relação ao material base. Nesta aplicação, um feixe de laser não focado varre uma superfície de um material a ser temperado para aumentar localmente a sua temperatura acima da temperatura de transformação de fase. É utilizado em diversos aços e ferros fundidos, sendo de especial interesse em componentes como pistões, rolamentos ou sedes de válvulas. A profundidade e largura da área temperada podem ser controladas através de parâmetros do processo, incluindo principalmente distribuição de intensidade do feixe e velocidade de varredura.
O processo de revestimento superficial visa fundir o material de adição na superfície de um substrato, de modo que sobre ele forme uma camada com boa ligação metalúrgica e a consequente melhoria das propriedades mecânicas e resistência ao desgaste e à corrosão. Esta técnica tem sido utilizada com sucesso no revestimento de válvulas de motores de combustão, ferramentas de forjamento, pás de turbinas, etc.
Outro tratamento de superfície consiste em aumentar a rugosidade. A adesão das colas às superfícies de aço galvanizado melhora significativamente se esta texturização superficial tiver sido previamente realizada com laser. Esta técnica é aplicada, por exemplo, na indústria automobilística.
Do ponto de vista da investigação e implementação de novas aplicações de tratamento de superfícies, e a título de exemplo, está a ser desenvolvido trabalho sobre a utilização de lasers para produzir revestimentos biocompatíveis com propriedades físico-químicas e mecânicas melhoradas em comparação com os comerciais, de tal forma que podem permitir a integração óssea de implantes ortopédicos ou dentários muito mais rapidamente do que com os dispositivos atuais.
Como exemplo de tratamento de superfície em que é utilizado um feixe de laser focado está o endurecimento a laser por ondas de choque, conhecido como laser shock peening, cujo objetivo é eliminar tensões residuais da superfície do material.
Finalmente, o laser desempenha um papel fundamental nos novos processos de fabricação de painéis solares, tanto na melhoria das propriedades de absorção nas células de silício amorfo, quanto nos processos de fabricação e união de circuitos nos painéis de filme fino. Nesta última aplicação, linhas de processamento a laser com pulsos curtos na faixa de nanossegundos e picossegundos já foram implementadas na produção industrial.
Este artigo sobre aplicações de laser na indústria
Foi obtido da seguinte bibliografia:
Processamento de materiais a laser. William M. Steen. Springer-Verlag. 1991.
Manual LIA de Processamento de Materiais a Laser, J.F. Pronto, Laser Institute of America
Magnolia Publishing, Inc. 2001
Lasers ultrarrápidos. Tecnologia e aplicações, editores M. Fermann, A. Galvanauskas e G. Succha, (Nova York, 2003).
Microprocessamento: http://www.physics.gatech.edu/frog/UFOBook/23-Micromachining-Cerami-Mazur-Nolte-n-Schaffer.pdf
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