Usinagem a Laser

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Usinagem a laser
Fernando gaspar Oliveira 
Guilherme luIS grassi
Lucas Kohaut Dvoranovski
Matias Tomazi
História DO LASER
O primeiro véu da descoberta foi levantado por Albert Einstein em 1916, a partir das leis do Nobel Max Planck, pai da física quântica e autor do segundo teorema fundamental da teoria mecânica do calor. Einstein já desconfiava que a luz poderia ser concentrada num único raio.
Albert Einstein 
Max Planck
História DO LASER
Quase meio século depois, com estudos intercalares de Charles Hard Townes e Arthur Schawlow (que inventaram o Maser, que significa amplificação de microondas pela emissão estimulada da radiação e tem o mesmo princípio de funcionamento) e dos soviéticos Nikolai Basov e Aleksandr Prokhorov sobre a mesma tecnologia (publicam um artigo onde demonstram que é possível usar o princípio do maser para produzir luz visível), é Theodore Maiman quem revela então ao Mundo o primeiro laser nos laboratórios de pesquisas Hughes, na Califórnia, nos Estados Unidos. 
Townes
Basov
Prokhorov
Maiman
Schawlow
HISTÓRIA DO LASER
Gordon Gould publicou o termo LASER no artigo: The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 
Sua tentativa de patentear o termo LASER em abril de 1959 foi negada pelo escritório de patentes dos estados unidos. 
Patente foi concedida para Schawlow e Townes pelo MASER, criando a “guerra dos trinta anos de patente”
Gould
SIGNIFICADO DA PALAVRA LASER
LASER é um acrônimo para “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (amplificação da luz por emissão estimulada de radiação). 
Em termos simples: Partículas de luz (fótons) excitadas com corrente emitem energia na forma de luz. Esta luz é agrupada em um feixe. Assim, o raio laser é formado. 
Princípio DE FUNCIONAMENTO
Qualquer laser é constituído de três elementos: fonte externa de bombeio, o meio laser ativo e o ressonador.
A fonte de bombeio conduz a energia externa ao laser. O meio laser ativo está localizado no interior do laser. Dependendo do tipo, o meio laser pode consistir em uma mistura de gás (laser de CO2), um corpo de cristal (laser YAG) ou fibras de vidro (laser de fibra). Quando a energia é alimentada ao meio laser pelo bombeio, este emite energia na forma de radiação.
O meio laser ativo está localizado entre dois espelhos, o “ressonador”. Um desses espelhos é um espelho unidirecional. A radiação do meio laser ativo é amplificada no ressonador. Ao mesmo tempo, somente uma certa radiação pode ser liberada do ressonador através do espelho unidirecional. Essa radiação agrupada é a radiação laser.
PRiNCíPIO DE FUNCIONAMENTO
Propriedades de um raio laser: monocromático e coerente
A radiação laser possui três propriedades fundamentais:
Monocromática. Significa que a radiação consiste em apenas um comprimento de onda.
Coerente, com fótons em fase.
As ondas do laser são praticamente paralelas por causa da coerência
Devido a estas propriedades, o raio laser é utilizado em muitas áreas de processamento moderno de materiais. A intensidade é preservada por muito tempo devido à coerência e pode ser ainda mais agrupada por meio de lentes. O raio laser incide sobre a superfície do material, é absorvido e, consequentemente, aquece o material. Este calor pode remover ou evaporar completamente o material. Desta forma, é possível gravar, marcar ou cortar diversos materiais.
TIPOS DE LASER
Lasers de CO₂ (gás laser)
Laser de CO₂ são lasers de gás, que são baseados em uma mistura gasosa de dióxido de carbono, o qual é estimulado eletricamente. 
Aplicações: Com um comprimento de onda de 10,6 micrómetros, são principalmente adequadas para trabalhar em materiais não metálicos e na maior parte dos plásticos. 
Características: Lasers de CO₂ têm uma relativa alta eficiência e possuem uma boa qualidade do eixo. Eles são, portanto, os tipos de laser mais utilizados.
Tipo de material mais recomendado para utilização: madeira, acrílico, vidro, papel, têxteis, plásticos, chapas e películas, couro, pedra.
TIPOS DE LASER
Lasers de Fibra
Os lasers de fibra pertencem ao grupo do laser de estado sólido. Eles gerar um eixo de laser por meio do chamado laser semente e amplifica-o em fibras de vidro, especialmente concebidos, os quais são fornecidos com energia por meio de diodos de bomba. Com um comprimento de onda de 1,064 micrômetros, os lasers de fibra produzem um diâmetro focal extremamente pequeno; como resultado da sua intensidade é até 100 vezes mais elevada do que os lasers de CO₂ com a mesma potência média emitida.
Aplicações: Lasers de fibra são perfeitamente adaptado para a marcação por meio de tratamento térmico de metais, para gravação em metal, e em alto contraste de marcações plásticas. 
Características: Os lasers de fibra são geralmente livres de manutenção e apresentam uma longa vida útil de pelo menos 25.000 horas trabalho a laser.
Tipo de material mais recomendado para utilização: metais, metais revestidos, plásticos
TIPOS DE LASER
Lasers de Cristais (Nd:YAG, Nd:YVO)
Os lasers de cristal pertencem aos lasers de estado sólido. Hoje em dia, os lasers para aplicações de marcação são bombeados por diodos (no passado por lâmpadas de flash). Os tipos de laser mais comuns nesta categoria são Nd: YAG (granada ítrio alumínio dopado com neodímio) e Nd: YVO (dopado com neodímio ítrio orto-vanadato), em homenagem ao neodímio elemento dopante e ao cristal transportador. 
Aplicações: Com 1,064 micrômetros, os lasers de cristal têm o mesmo comprimento de onda, como os lasers de fibra e são, portanto, também adequado para a marcação de metais e plásticos.
Características: Ao contrário dos lasers de fibra, estes tipos de laser incluem os diodos bomba relativamente caros, que são peças de algum desgaste. Estas devem ser substituídos após aprox. 8.000 a máx. 15.000 horas de laser. O próprio cristal também tem uma vida útil mais curta do que um laser de fibra.
Tipo de material mais recomendado para utilização: metais, metais revestidos, plásticos, em certa medida, também para cerâmica.
TIPOS DE LASER
Laser Excimer
O Excimer é uma forma de laser ultravioleta. Ele utiliza dois tipos de gases, inerte e reativo. O gás inerte é usado para proteger o caminho do feixe(argônio, criptônio ou xenônio). Para o reativo, normalmente é usado gás flúor ou cloro.
Aplicações: Ampla utilização em micro-usinagem de precisão, tanto no uso da indústria como em cirurgias oftalmológicas
Características:  Esse laser quase não aquece a peça durante o processo (laser frio). Pode fazer cortes finos, com pouca área afetada termicamente. 
Tipo de material mais recomendado para utilização:  poliméricos e cerâmicos
Vantagens e desvantagens
VANTAGENS
A utilização integrada de sistemas CAD/CAM com os sistemas laser permite que peças de desenhos complexos sejam usinadas com grandes vantagens sobre processos tradicionais.
Da mesma forma que na usinagem, textos ou desenhos podem ser eficientemente gravados ou marcados a laser nos mais diversos produtos, tornando-os mais atraentes, com maior qualidade e menor custo, consequentemente mais competitivos no mercado, tendo uma maior flexibilidade nos seguintes processos: corte, furação, marcação, gravação, soldagem, tratamento de superfícies.
Bastante Versatilidade: metais e ligas, cerâmicas, silício, plásticos, madeira, etc.
Grande precisão: rugosidade de 2 a 30 mícrons em aço.
Não há contato físico: o fato do laser não ter força de ferramenta, isto é, pode evitar danos em um determinado tipo de peça que, do contrário, poderia quebrar se fosse usado outro recurso.
Há uma pequena zona afetada pelo calor. 
Ganhos de produtividade e aumento de lucratividade: pode executar tarefas inconcebíveis por métodos tradicionais. Além disso, executa com mais precisão, qualidade e economia quase tudo que ferramentas convencionais executavam. 
VANTAGENS E DESVANTAGENS
VANTAGENS
O laser permite o processamento de precisão de uma grande variedade de materiais resultando numa razão custo benefício muito favorável, tais como os descritos abaixo:
Metais como aços da série 300e 400, aços inoxidáveis, aços ferramenta e aços mola, alumínio e suas ligas, titânio, irídio, monel, níquel, cobre e suas ligas, latão, bronze, ouro, prata, corte polarizado de laminados, etc. 
Cerâmicas como alumina, titanato de bário, carbetos, etc. 
Compósitos como laminados híbridos, fibras de carbono, fibra de vidro, kevlar, etc.
Além disso, devido à possibilidade de operação no regime de pulsos gigantes, com nano - segundos de duração, nossos lasers também podem ser utilizados como ferramenta de excelência para o processamento de diversos outros materiais, incluindo plásticos e outros materiais orgânicos. 
VANTAGENS E DESVANTAGENS
DESVANTANGENS
A espessura do material a ser cortado deve ser exato.
O custo inicial do equipamento é extremamente elevado 
Há certa dificuldade de corte de materiais que refletem muito a luz, como o alumino e o cobre, não permitindo o corte de peças muito espessas.
APLICAÇÕES NA USINAGEM
CORTE E USINAGEM DE PRECISÃO
Por não causar contato mecânico da ferramenta com o material, a zona afetada pelo calor é mínima bem como o kerf (largura do corte) ocorre muito pouca distorção no material em peças de desenho complexo. 
Por operar no modo pulsado, e por apresentar comprimento de onda dez vezes menor, o laser de YAG/Nd é mais versátil e apresenta maior precisão no corte do que o do laser de CO2. 
CARACTERÍSTICAS
Minimiza a largura de corte (típica de 0.12 mm) 
Minimiza a zona afetada pelo calor 
Minimiza o tempo de posicionamento da peça 
Reduz ou elimina perdas 
Contornos lisos em velocidades altas 
 Corte com lados paralelos 
Ausência de distorção por contato 
Pode ser utilizado em cortes de perfis de contornos complexos. 
 Tem-se a versatilidade de poder iniciar o corte em qualquer posição 
Altas velocidades de cortes agilizam as operações.
APLICAÇÕES NA USINAGEM
FUROS
Furos de vários diâmetros feitos com lasers podem ser obtidos em diversos materiais de diferentes espessuras.
Furos maiores do que 0,18 mm são comumente feitos por trepanação, onde é caracterizada por um “piercing” (perfuração inicial).
Furos menores são obtidos por percussão, caracterizada pela repetição dos pulsos estando a peça parada.
Com a eliminação do contato de uma broca, a zona afetada pelo calor é mínima o que permite que materiais sejam furados sem distorção. 
Furos de 100 micrômetros de diâmetro em aço inox.
Processamento laser pode fazer furos de precisão e sem rebarbas até 0,02 mm de diâmetro com tolerâncias de +/- 0,01 mm.
Furos de até 3 mm de profundidade podem ser realizados em metais ferrosos, aços inoxidáveis, monel, inconel. 
APLICAÇÕES NA USINAGEM
SOLDA A LASER
Juntas mecânicas precisas eliminam a necessidade de material de preenchimento e fazem com que a qualidade da solda a laser no que diz respeito a sua resistência e aparência estética seja superior a solda convencional. 
Adicionalmente, tendo-se uma zona afetada pelo calor reduzida, a solda a laser esfria mais rápido e provoca menos distorção da peça.
CARACTERÍSTICAS:
Reprodutibilidade excelente 
Pequena distorção térmica do metal
Ideal para automação
Solda regiões de difícil acesso
Processo sem contato físico
Opera no ar
Reduz o pré e pós-processo de partes
APLICAÇÕES NA USINAGEM
MARCAÇÃO A LASER
A Marcação a laser caracteriza-se por um feixe luminoso de alta potência (intensidade), capaz de criar uma imagem com (ou sem) contraste sobre a superfície que se deseja marcar. O feixe luminoso é colimado através de lentes, refletido e guiado para um dispositivo que o faz mover-se, e concentrado através de uma lente final.
Dentre as principais características da marcação a laser é fundamental ressaltar a qualidade e velocidade da marcação. Com este processo podem-se marcar logotipos, textos, desenhos, códigos de barra e 2D (DATAMATRIX) sendo possível gravar ou cortar* os mais diversos materiais como: Aço, alumínio, latão, plásticos, madeira, couro, cerâmica, etc.
Os movimentos do feixe laser em X e Y, combinados com movimentos rotacionais de peças, possibilitam uma imensa gama de geometrias e de possibilidades de marcação, gravação e inscrição em materiais com lasers. 
Os resultados são melhores e com menor custo do que com métodos tradicionais como xerografia, silk screen, pantografia, eletroerosão e outros. Marcas podem ser feitas com alguns microns de profundidade pela simples evaporação controlada do material superficial (tintas, revestimentos e "night and day design"). 
APLICAÇÕES NA USINAGEM
MARCAÇÃO A LASER
CARACTERÍSTICAS:
Marcação permanente sem stress no material (sem contato). 
Processo automático. 
Alta velocidade de operação. 
Custo zero de estamparia. 
Processo programado facilmente.
Marca superfícies irregulares. 
Marcas legíveis sem materiais consumíveis. 
Custos operacionais baixos. 
Dentre os tipos de marcação estão as alfanuméricas, serialização, logomarcas, gráficos customizados, código de barras e fontes especiais.
APLICAÇÕES NA USINAGEM
GRAVAÇÃO A LASER
A gravação profunda em 3D também é feita com o laser de YAG/Nd. Através de um software dedicado e dispositivos goniométricos que proporcionam movimentos angulares, montados numa mesa em X e Y, combinados com os movimentos do feixe laser em X, Y e Z, possibilitam uma imensa gama de geometrias e possibilidades de gravação e inscrição em materiais. 
Moldes para injeção de plásticos ou carimbos e clichês podem ser gravados com o laser, resultando em produtos com melhor definição, prontos para serem utilizados pela indústria em substituição a métodos tradicionais como eletroerosão. 
Gravações profundas podem ser feitas com milímetros de profundidade.
FIM
OBRIGADO PELA ATENÇÃO!!!