Imagine ser capaz de cortar metal com a precisão de um cirurgião e a velocidade de um raio. Essa é a realidade da moderna tecnologia de processamento a laser. Da soldagem e corte à microfabricação complexa, os lasers estão revolucionando a fabricação com precisão e eficiência incomparáveis. Neste artigo, você descobrirá como esses avanços estão remodelando os setores, tornando a produção mais rápida, mais econômica e incrivelmente precisa. Prepare-se para explorar o mundo de ponta da tecnologia laser e veja como ela está transformando o futuro da manufatura.
O processamento a laser envolve o uso de um feixe de laser para alterar a superfície de um material por meio de efeitos térmicos, incluindo soldagem a laser, corte a laser, modificação de superfície, marcação a laser, perfuração a laser e microprocessamento.
O feixe de laser pode ser usado para realizar várias tarefas, como perfuração, corte, traçado, soldagem e tratamento térmico, em diferentes materiais.
O laser é capaz de processar qualquer material e desempenha um papel indispensável no processamento e na fabricação de precisão e especializados, especialmente em circunstâncias especiais e com materiais especiais.
O processamento a laser envolve o uso de um feixe de laser para alterar a superfície de uma peça de trabalho por meio de irradiação de alta energia. Isso resulta na remoção de material, fusão ou modificação das propriedades da superfície. O processo é sem contato, o que significa que a ferramenta não gera resistência ao ser esmerilhada contra a superfície da peça de trabalho, o que o torna um método rápido e eficiente.
Além disso, a energia e a velocidade do feixe de laser podem ser ajustadas, permitindo aplicações versáteis em vários níveis e faixas.
As características exclusivas do processamento a laser determinam suas vantagens no campo do processamento:
(1) Como se trata de um processamento sem contato, e a energia do feixe de laser de alta energia e sua velocidade de movimento são ajustáveis, ele pode ser usado para uma variedade de finalidades de processamento.
(2) Ele pode processar uma variedade de metais e materiais não metálicos.materiais metálicosespecialmente aqueles com alta dureza, fragilidade e ponto de fusão.
(3) O processamento a laser não causa desgaste na "ferramenta" e não gera forças de corte na peça de trabalho.
(4) A densidade de energia do feixe de laser é muito alta durante o processamento, tornando-o rápido e altamente localizado, com impacto mínimo nas áreas não expostas à irradiação do laser.
Isso resulta em uma pequena zona afetada pelo calor, deformação térmica mínima da peça de trabalho e menor necessidade de processamento subsequente.
(5) Pode ser usado para processamento em um contêiner selado por meio de um meio transparente para a peça de trabalho.
(6) O feixe de laser é fácil de guiar e focalizar, permitindo a transformação da direção e facilitando o trabalho Sistemas CNC para o processamento de peças complexas.
(7) O processamento a laser é altamente eficiente, produz qualidade confiável e tem bons retornos econômicos.
Por exemplo
(1) A General Electric Company dos EUA usa o processamento a laser de placas para cortar as ranhuras moldadas nos motores de aeronaves, concluindo a tarefa com alta qualidade em menos de 4 horas, enquanto o método de processamento EDM original levava mais de 9 horas. Só isso já economiza $50.000 no custo de cada motor.
(2) A eficiência de corte de aço com lasers pode aumentar de 8 a 20 vezes, levando a uma redução de 15-30% nos custos de material. Isso resulta em uma economia significativa de custos, além de proporcionar usinagem de alta precisão e garantir a qualidade estável e confiável do produto.
Embora o processamento a laser tenha muitas vantagens, suas limitações também são aparentes.
O processamento a laser envolve o uso de um feixe de laser para realizar vários processos, como perfuração, corte, gravação, soldagem e tratamento térmico.
O processamento a laser tem muitas vantagens:
① Alta densidade de potência do laser permite o rápido aumento da temperatura e a fusão ou vaporização da peça de trabalho, mesmo para materiais com altos pontos de fusão, alta dureza e fragilidade (como cerâmica e diamante);
② O cabeçote do laser não entra em contato direto com a peça de trabalho, eliminando o problema de desgaste durante o processamento;
③ A peça de trabalho está livre de forças e não é facilmente contaminada;
④ A peça de trabalho pode ser processada em movimento ou dentro de um invólucro de vidro vedado;
⑤ O ângulo de divergência do feixe de laser pode ser inferior a 1 milionésimo de arco, com um diâmetro de ponto tão pequeno quanto alguns mícrons e um tempo de ação de nanossegundos a picossegundos. Enquanto isso, a potência de saída contínua do laser de alta potência pode atingir de quilowatts a dez quilowatts, o que torna o laser adequado para microprocessamento de precisão e processamento de materiais em larga escala;
⑥ O feixe de laser é fácil de controlar e pode ser combinado com maquinário de precisão, tecnologia de medição de precisão e computadores eletrônicos para obter alta automação e precisão no processamento;
⑦ Os robôs podem ser usados para processamento a laser em ambientes adversos ou em locais onde é difícil para os humanos trabalharem.
O laser pulsado é usado para perfuraçãocom uma largura de pulso de 0,1 a 1 milissegundo. É especialmente adequado para criar furos e furos moldados com uma abertura de aproximadamente 0,005 a 1 mm. A perfuração a laser tem sido amplamente adotada na produção de peças como relógios, rolamentos de pedras preciosas, matrizes de desenho de diamante e fieiras de fibra química.
Os setores de construção naval e fabricação de automóveis costumam usar lasers contínuos de CO2 com centenas de quilowatts a milhões de watts para cortar peças grandes, garantindo a forma precisa do espaço curvo e, ao mesmo tempo, proporcionando maior eficiência de processamento.
Lasers de estado sólido de potência média e pequena ou lasers de CO2 são comumente usados para cortar peças pequenas. Na microeletrônica, os lasers são normalmente usados para cortar silício ou fazer fendas, o que é rápido e tem uma pequena área afetada pelo calor.
O laser pode ser usado para a inscrição ou marcação de peças de trabalho na linha de montagem sem afetar a velocidade da linha de montagem, e os caracteres gravados podem ser mantidos permanentemente.
O uso de lasers de média e baixa potência é aplicado para remover partes dos componentes eletrônicos no material para alterar os parâmetros elétricos, como resistência, capacitância e frequência ressonante.
O ajuste fino a laser apresenta alta precisão e velocidade e é adequado para produção em larga escala.
Princípios semelhantes podem ser usados para reparar máscaras de circuitos integrados defeituosos, melhorar o rendimento da memória de circuitos integrados e realizar ajustes precisos de equilíbrio dinâmico em giroscópios.
Soldagem a laser é caracterizado por sua alta resistência, deformação térmica mínima, vedação eficaz, tamanho e natureza consistentes da solda e capacidade de soldar materiais com altos pontos de fusão (como cerâmica) e aqueles que são propensos à oxidação.
A soldagem a laser é particularmente útil para marca-passos, que são selados de forma eficaz e têm uma longa vida útil, além de um tamanho pequeno.
Com a irradiação a laser do material, o comprimento de onda apropriado, o controle do tempo de irradiação e a densidade de potência podem ser selecionados para fazer com que a superfície do material derreta e se recristalize, atingindo o objetivo de extinguir ou recozimento.
Calor a laser tem a vantagem de poder controlar com precisão a profundidade do tratamento térmico e selecionar a área específica a ser tratada.
A deformação da peça de trabalho é mínima e ele pode lidar com formas complexas e intrincadas, bem como processar furos cegos e profundos em paredes internas.
Por exemplo, o tratamento térmico a laser pode prolongar a vida útil de um pistão de cilindro e restaurar os danos causados pelo bombardeio de íons em materiais de silício.
A tecnologia de reforço de superfície a laser utiliza um feixe de laser de alta densidade de energia para aquecer e resfriar rapidamente a peça de trabalho.
No reforço a laser da superfície do metal, quando a densidade de energia do feixe de laser é baixa, ele pode ser usado para a transformação da superfície do metal. Com alta densidade de feixe, a superfície da peça de trabalho age de forma semelhante a um cadinho em movimento, permitindo uma série de processos metalúrgicos, como refusão de superfície, carbonatação de superfície, liga de superfície e revestimento de superfície.
Essas funções têm o potencial de trazer benefícios econômicos significativos para o setor de manufatura por meio da tecnologia de substituição de materiais.
Na modificação de materiais de ferramentas, o tratamento por fusão é a principal aplicação. Ele envolve a fusão do material metálico superfície sob irradiação de feixe de laser, solidificando-se rapidamente para formar uma nova camada superficial.
As alterações na superfície do material podem ser categorizadas em vários tipos, incluindo liga, dissolução, refinamento de refusão, envidraçamento e composto de superfície.
A fusão a laser envolve o uso de parâmetros de laser para derreter e condensar rapidamente a superfície do material, resultando em uma organização mais refinada e homogênea com propriedades de superfície aprimoradas. Essa é uma tecnologia de modificação de superfície.
As vantagens da fusão de superfícies a laser incluem:
O feixe pode ser direcionado por meio de um caminho óptico, permitindo o processamento de peças com posições especiais e formas complexas.
Combinando os benefícios da tecnologia com as limitações das técnicas amplamente utilizadas, a aplicação da tecnologia a laser para o fortalecimento da superfície de materiais de ferramentas aumenta a resistência ao desgaste e a vida útil da ferramenta, especialmente para ferramentas de corte de cerâmica e metal duro com alta dureza e resistência ao calor.
Isso melhora a eficiência e a precisão do processamento e permite o processamento de materiais como aço endurecido em condições desafiadoras.
Apesar de sua alta dureza e resistência ao calor, a cerâmica e o carboneto ferramentas de corte têm aplicação limitada devido à sua resistência relativamente baixa e baixa tenacidade. A aplicação do laser endurecimento de superfícies A tecnologia de aplicação desses materiais é, portanto, um assunto de pesquisa significativa e tem uma ampla gama de aplicações potenciais.
Ao selecionar o comprimento de onda do laser adequado, utilizar várias técnicas de otimização e aproximar o limite de difração do sistema de foco, é possível obter um feixe de luz estável e de alta qualidade com um ponto focal de tamanho micro.
Suas características afiadas e precisas de "faca leve" são utilizadas para gravar micromarcas de alta densidade e escrever diretamente informações de alta densidade.
Ele também pode aproveitar seu efeito de "força" de armadilha óptica para manipular pequenos objetos transparentes, como por meio de gravação de grade de alta precisão.
Com o auxílio do software CAD/CAM para simular e controlar padrões ou textos, é possível obter uma marcação de alta fidelidade.
Além disso, sua "força de ligação" de armadilha óptica pode ser usada para a manipulação de células biológicas, conhecida como pinça de luz biológica.
O processo de usinagem fina
A maioria dos cortes finos na superfície convexa (externa) é feita com ferramentas ou cortadores de diamante de cristal único. O raio da ponta é de aproximadamente 100 μm, e a lâmina de diamante tem uma superfície de corte cônica de 45° quando girada.
O tamanho mínimo usinável da superfície côncava (interna) é limitado pelo tamanho da ferramenta. Por exemplo, uma broca helicoidal pode ser usada para usinar um furo de 50 μm, mas para furos menores, uma broca plana deve ser usada, pois não há produtos de broca helicoidal disponíveis.
Um desafio importante na microfabricação é garantir que a postura de instalação da ferramenta e seu alinhamento coaxial com o eixo do fuso sejam consistentes com o sistema de coordenadas. Caso contrário, pode ser difícil obter uma pequena quantidade de corte. Para resolver esse problema, a mesma máquina-ferramenta pode ser usada tanto para a produção de ferramentas quanto para o microprocessamento, evitando assim fixação erros causados pelo uso de diferentes condições de trabalho.
Uma máquina de retificação de descarga de arame pode ser usada na máquina-ferramenta para produzir uma ranhura de 50 μm de largura.
Tecnologia de processamento elétrico fino
A usinagem de microeixos e barras de seção perfilada pode ser obtida por meio da retificação por descarga de fio (WEDG). Seu circuito de descarga exclusivo permite apenas 1/100 do EDM comum. Para obter uma superfície mais lisa, a WECG pode ser usada após o processamento da WEDG, que remove uma fina camada superficial usando água deionizada em uma corrente baixa.
Máquinas microEDM, como a MG-ED71 da empresa japonesa Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. podem ser usadas para esse processo. Essas máquinas têm uma resolução de controle de posicionamento de 0,1 μm e a menor abertura de processamento de 5 μm, resultando em uma rugosidade de superfície de 0,1 μm.
Por exemplo, um aço inoxidável de 9 dentes engrenagem de aço com um diâmetro de 300 μm e uma espessura de 100 μm pode ser usinado. O contorno áspero é primeiro perfurado com um eletrodo de φ24 μm, e o contorno é então escaneado com um eletrodo de φ31 mm de acordo com o perfil do dente, resultando em uma precisão de ± 3 μm.
Essa tecnologia também pode ser usada para processar um eixo de passo em miniatura com um diâmetro mínimo de 30 μm e uma seção de rasgo de chaveta processada de 10 μm x 10 μm. Os eletrodos para usinagem de peças pequenas devem ser fabricados na mesma máquina-ferramenta; caso contrário, pode ser difícil processar furos menores que 100 μm de diâmetro devido a erros de conexão e montagem do eletrodo.
Por exemplo, eletrodos de ferramentas de máquinas micro-EDM ou ferramentas de processamento ultrassônico podem ser usados para processar microfuros de 5 a 10 μm. Em comparação com a microusinagem e a usinagem fina, as taxas de remoção de material são baixas, mas o tamanho do processamento pode ser menor e a proporção do diâmetro do furo pode ser de 5 a 10. Isso o torna particularmente superior para o processamento de cavidades côncavas finas e complexas.
Com o desenvolvimento do setor de laser e as mudanças nas demandas do setor de downstream, os equipamentos a laser de média e alta potência se tornaram o foco do mercado. Em especial, o surgimento de equipamentos de 20 kW ou até mesmo de maior potência, corte a laser de fibra As máquinas a laser impulsionaram o amadurecimento da tecnologia a laser, ampliando constantemente os limites da espessura de corte.
Olhando para o futuro, com a atualização dos equipamentos de corte a laser, as máquinas de corte a laser de alta potência e alta velocidade substituirão os equipamentos de usinagem tradicionais devido às suas excelentes vantagens de eficiência e precisão, melhorando significativamente a eficiência e a qualidade do processamento industrial.
Na era da economia digital, o avanço da tecnologia digital aumentou muito a eficiência da produção e da inovação. A integração eficaz da tecnologia a laser com a tecnologia de controle numérico dará ao equipamento de corte a laser a capacidade de analisar, julgar, inferir e tomar decisões sobre o processo de corte, realizando assim a automação e a inteligência de todas as partes do equipamento de fabricação.
Ao mesmo tempo, o aumento dos custos de mão de obra no setor de laser e a atualização e iteração da tecnologia industrial também impulsionam a necessidade de os equipamentos de corte a laser evoluírem para níveis mais altos de automação e inteligência.
Como podemos prever, com o rápido avanço das estratégias de fabricação inteligente, a digitalização e a inteligência no campo de corte a laser se tornarão uma tendência inevitável. Equipamentos multifuncionais de corte a laser altamente inteligentes continuarão a surgir, aumentando consideravelmente a eficiência do processamento industrial e alcançando um gerenciamento eficiente da produção.
Na era da fabricação inteligente, os cenários de processamento de usuários downstream estão se tornando mais diversificados e complexos, aumentando a demanda por equipamentos de processamento a laser personalizados. Isso requer empresas de corte a laser para serem mais flexíveis em suas aplicações de produtos para se adequarem a diferentes cenários de processamento e atenderem às diversas necessidades dos clientes.
Portanto, o uso do design modular para melhorar a integração, a adaptabilidade e a funcionalidade do equipamento e para obter uma produção flexível voltada para o consumidor se tornará uma importante direção de desenvolvimento para o futuro setor de equipamentos de corte a laser.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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