Corte a Laser

produtos_04bDentre os diversos processos de usinagem com sistemas automatizados, o corte a laser merece destaque, pois utiliza a luz como ferramenta de corte. No presente trabalho, mostraremos de forma compacta os principais tópicos deste sistema que tem ganhado, cada vez mais, importância na indústria.

O principio de funcionamento do laser foi previsto por Einstein, em 1916, com o uso da lei de Planck. Em 1953, cientistas americanos desenvolveram o maser, que consiste na liberação de microondas. Aprimorando esses princípios, mais tarde, dois russos, Nikolai Basov e Aleksander Prokhorov descobriram como emitir o raio em uma freqüência visível, surgindo assim o laser, e dando abertura para inúmeras aplicações, sendo uma delas a usinagem a laser.

A sigla Laser, significa amplificação da luz por emissão estimulada de radiação. O meio em que a emissão ocorre pode ser sólido, ou gasoso. Comumente se utiliza o rubi como meio solido e o Co 2 como meio gasoso. Na industria de usinagem a Laser, o tipo mais utilizado é o de Co2 , por apresentarem elevada potencia de corte, chegando na ordem de alguns kW, embora se utilize também o de Nd e de flúor e cloro.

Muitas vezes, determinados tipos de cortes ou são muito caros com processos de usinagem convencionais, ou são impossíveis. Uma saída é o corte a laser que, embora mais custoso, dependendo da quantidade de peças que se quer, consegue fazer cortes precisos e complexos em curto período de tempo. Por isso será estudado suas aplicações, vantagens, materiais de trabalho, tipos de máquinas e eficiência.

Existem inúmeros tipos de lasers atualmente, e com diversas funções. Este instrumento tem varias aplicações no dia a dia, tais como, na medicina e odontologia, em impressoras a laser, leitores de CD e códigos de barra e aplicações industriais (soldagem e usinagem). Na usinagem, restringimos essa variedade de lasers em três tipos, dois a gás: Excimer, CO2, e um de estado sólido: Nd YAG.

O laser de CO2 é o mais usado nos processos de usinagem por proporcionar elevados níveis de energia. Nesta máquina, o gás CO2 é soprado para um duto onde existem dois eletrodos ligados a uma fonte de alta tensão. Estes formam um campo elétrico, que aumenta a energia do gás. Quando o gás esta energizado, os elétrons dos átomos formadores do CO2 sobem um nível de orbital. Quando este elétron volta para sua orbita inicial, ele gera energia em forma de luz. Este processo ocorre com vários átomos ao mesmo tempo e cada onda emitida estimula a emissão continua. Esta luz é amplificada por meio de lentes e espelhos até o cabeçote do instrumento. No cabeçote a luz é concentrada a partir de lentes em um único ponto. Este ponto pode variar de 0,25mm até 0,005mm. Após esta concentração da luz, este feixe é conduzido através de espelhos para a lente de focalização, ultimo estagio antes de chegar á peça.

O laser de CO2 corta a peça vaporizando uma pequena porção de material. Isto é possível, pois a máquina pode gerar cerca de 3kW por centímetro quadrado. O instrumento ainda utiliza outros gases como o oxigênio, nitrogênio e o Helio para produzir tal potência. Antes de entrar na máquina, estes gases são misturados em uma certa porcentagem. 10 a 20% de CO2, 10 a 20% de nitrogênio e o restante de Helio.

produtos_04O gás Helio é usado para dissipar o calor gerado pelo campo elétrico. Fora do duto, o oxigênio ou o nitrogênio pode servir de gás de assistência. Este gás serve para remover sujeiras óxidos e principalmente o material removido da peça pelo feixe. O gás de assistência mais recomendado é o oxigênio, por prever uma maior velocidade de corte em função de gerar uma reação exotérmica, aumentando a temperatura do processo. O nitrogênio substitui o oxigênio quando este for mais barato, mas principalmente quando se quer uma superfície livre de óxidos.

Posteriormente a produção do laser, independente do sistema, o feixe passa por processos que o tornarão útil para a usinagem. O raio é ampliado por uma unidade telescópica composta de um espelho convexo e outro côncavo, cuja função é dimensionar o feixe ao polarizador. Este por sua vez dá características lineares à luz que é direcionada por uma unidade refletora composta por espelhos planos. A luz então é conduzida ao cabeçote de corte e concentrada por uma lente. Sobre a peça, o feixe de laser pode variar de 0,1mm a 3 mm e incide com uma densidade de potência na ordem de 200kW no primeiro caso. Essa alta intensidade de energia concentrada causa aquecimento rápido do material que vaporiza e logo é expulso do local por um jato de gás que sai do bocal, conforme o esquema a seguir. O resultado do processo é um corte limpo e preciso, sem rebarbas ou cavacos.

O corte a laser é utilizado em praticamente toda a indústria metal-mecânica, abaixo alguns dos principais exemplos de indústrias e produtos:

  • Automobilística (Montadoras e Autopeças)
  • Eletroeletrônicos (Linha Branca e Marrom);
  • Transportes (Rodoviário, Ferroviário, Metroviário, Marítimo, Aéreo)
  • Implementos Agrícolas
  • Vidro e Materiais Não-Metálicos

produtos_04cEm muitos casos a produção de uma peça com certas características tem um custo muito menor se forem produzidas pelo processo de corte a laser. Um bom exemplo que podemos tomar é na produção de uma arruela. Muitas arruelas são produzidas por outros diversos processos de usinagem mas, se tivermos uma chapa no mercado com a espessura final desejada da arruela, somente precisamos cortar essa arruela com as dimensões que desejamos. Pelo processo de corte a laser isto se torna bastante viável e, na indústria vemos que peças mais simples tem um custo minimizado quando produzidas por corte a laser.

A aplicação do processo é utilizado em grande escala na produção de chapas para as indústrias automobilísticas, transportes, agrícolas e implementos. Não é comumente utilizada para oficinas de protótipos ou ferramentaria de grandes empresas pois não é a máquina de menor custo e máquinas como tornos mecânicos e fresas levam vantagens nesses casos.

O uso de máquinas de corte a laser é recomendado quando as peças apresentarem formas complicadas e for exigido um acabamento de superfície praticamente livre de rebarbas na região de corte. É possível produzir rapidamente lotes pequenos e diversificados.

Agora veremos como se comporta o corte a laser em alguns materiais:

  •  Aços não ligados – Podem ser facilmente cortados a laser, principalmente se o gás de assistência for o oxigênio. A qualidade de corte é boa, produzindo pequenas larguras de corte e bordas retas, sem rebarbas e livre de óxidos;
  •  Aços inoxidáveis – Chapas finas podem ser cortadas com excelente resultado. Não é possível cortar chapas tão espessas como as de aços não ligados;
  •  Aços-ferramenta – São difíceis de cortar por outros métodos convencionais, por causa do alto teor de carbono, mas apresentam boa qualidade de superfície, quando cortados a laser;
  •  Alumínio e suas ligas – A espessura máxima que pode ser cortada a laser situa-se por volta de 4 mm a 6 mm, pois, como já foi dito, o alumínio reflete a luz e é bom condutor de calor, dificultando a concentração de energia;
  •  Cobre e suas ligas – Assim como o alumínio, também apresenta tendência a refletir a luz. Para o corte de peças não planas, é extremamente importante a proteção contra radiação refletida;
  •  Titânio e suas ligas – Pode ser cortado a laser, desde que a zona de corte seja protegida por um gás inerte (CO2 , He, N2), que evita a oxidação pelo ar. Na face posterior do corte deve ser injetado um gás igualmente inerte, que ajuda a eliminar as gotas aderentes de metal fundido;
  •  Outros materiais – O laser corta ainda vários outros materiais não-metálicos como: polímeros, têxteis, couro, cerâmica, rochas entre outros.