Usinagem a Laser: Processo e Aplicações

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USINAGEM A LASER
André Luiz Silva Gomes De Freitas[footnoteRef:1] [1: ] 
Artur Vinícius Araújo Reis1
Matheus Nepomuceno Oliveira1
Nathália Cedro Cintra1
Rafael Leite Martins Da Silva1
 Sérgio Mateus Brandão[footnoteRef:2] [2: ] 
Resumo (ou Abstract, ou Resumen): 
O processo de usinagem a laser se dá através da estimulação molecular e da posterior transmissão das moléculas para níveis mais baixos de energia, podendo ser realizado em meio solido ou gasoso. O processo é classificado como não convencional, o seu funcionamento pode ser por meio sólido (Nd YAG) ou gasoso (CO2, Excimer),o processo se mostra muito importante nos campos de usinagem, devida a essa importância é necessário o estudo em cima do processo e com base em uma revisão literária é possível conhecer que os parâmetros de controles relacionados a usinagem a laser são diversos, sendo relacionados ao tipo de corte, a ótica de focalização, posição do ponto focal, a velocidade de corte, ao tipo de gás de assistência e sua pressão, ao bico de corte e distância entre o bico e a peça. A questão do custo de utilização deste processo é relacionada principalmente ao custo benefício tendo em vista que evolução tecnológica tem possibilitado, nos últimos anos, a redução do custo do investimento inicial em equipamentos e o aumento da potência destes, credenciando o processo do corte laser como excelente opção não somente por uma avaliação exclusivamente técnica, mas também por uma análise custo x benefício para o corte de metais. A principal utilização é na produção de chapas para as indústrias automobilísticas, transportes, agrícolas e implementos. E o seu uso é recomendado principalmente quando as peças apresentarem formas complicadas e for exigido um acabamento superficial livre de rebarbas na região que é realizada o corte.
Palavras-Chave (ou Keywords, ou Palabras Clave): Laser.Controle.Benefício
USINAGEM A LASER
Abstract (Ou Resumo):
(Abstract – Fonte: Arial; tamanho: 11; espaçamento simples; antes 0pt; depois 6pt; texto justificado)
Tradução do resumo para: a) Se resumo em inglês, traduzir para português; b) se resumo em português ou outro idioma, traduzir para inglês.
Keywords(ou Palavras-Chave): Traduzir as palavras-chave de acordo com idioma do Abstract.
1. Introdução
	Os lasers podem ser encontrados em diversos campos de aplicações, não somente no mercado de usinagem, mas também em setores de telecomunicação, odontologia, medicina, computadores e etc.
Um laser pode ser definido como a “amplificação da luz através da emissão estimulada de radiação. ”
 	O Processo se dá através da estimulação molecular e da posterior transmissão das moléculas para níveis mais baixos de energia, podendo ser realizado em meio solido ou gasoso. Neste processo, a luz é utilizada como ferramenta de corte.
2. Origem do processo
O princípio de funcionamento do laser, foi idealizado por um grande cientista, Albert Einstein, que em 1916 através da lei de Planck definiu como funcionaria o mesmo, porem somente em 1953, cientistas americanos desenvolveram o laser, que consiste na liberação de micro-ondas, tendo uma melhor base para o estudo alguns anos depois os cientistas russos, Nikolai Basov e Aleksander Prokhorov descobriram como emitir o raio em uma frequência visível, surgindo assim o laser. Com o desenvolvimento feito pelos os russos a primeira máquina de corte à laser foi feita pela Western Electric Research Engineering Center em 65, e foi utilizada em indústrias de fabricação para cortar materiais e ferramentas com geometrias complexas, ela foi aprimorada pelo Reino Unido, que em 1967 passou a utilizar os lasers de oxigênio para cortar metais, essa tecnologia foi, posteriormente, colocada em produção a fim de cortar titânio para aplicações aeroespaciais – em 1970. Isso ocorria concomitantemente ao aprimoramento do corte com laser de Dióxido de Carbono (CO2) utilizado, até o momento, em materiais não-metálicos, uma vez que ainda não tinha potência suficiente para transpassar metais. 
Figura 1- Laser feito pela a empresa Western Electric Research Engineering Center
Fonte: Site da empresa Western Electric Research Engineering Center
E em 1979, a empresa italiana Prima Industrie inventou o primeiro processo de corte a laser 3D com um sistema de rotação de 5 eixos.
3. Descrição do processo
A usinagem a laser é classificada como não convencional por se tratar de um processo em que o material é fundido ou vaporizado por um feixe de luz monocromática intensa com densidades de energia elevada. Sendo assim, o laser é basicamente a amplificação da luz por emissão estimulada de radiação. O mesmo pode ser por meio sólido (Nd YAG) ou gasoso ( CO2, Excimer).
O Excimer é um laser ultravioleta que se utiliza dois tipos de gases sendo ele inerte e o reativo. Como o nome ja diz o gás reativo reage com a peça enquanto o gás inerte serve como uma proteção para que o feixe não seja absorvido pelo ar. Os reativos mais utilizados são o gás fluor ou o cloro e os gáses inertes mais utilizados são o argônio, criptônio e xenônio. Com a estimulação elétrica e a presença de tensão os gases formam pseudomoléculas para o pulso laser de luz ultravioleta. Este laser é considerado frio o que possibilita sua usuabilidade em corte com extrema finura e precisão indicado para polímeros e materiais cerâmicos.
O laser de CO2 é um procedimento onde o gás é soprado para um duto onde existem dois eletrodos ligados a uma fonte de tensão, estes formam um campo elétrico que aumenta a energia do gás. Assim que energizado o elétrons dos átomos do CO2 sobem um nível orbital que quando volta para o orbita inicial gera energia em forma de luz, essa luz é amplificada por meio de lentes e e espelhos até o cabeçote do instrumento, no cabeçote a luz é concentrada em um ponto que varia de 0,25mm à 0,005mm e é conduzida até a peça.
O CO2 corta a peça vaporizando uma pequena quantidade de material e é capaz de gerar cerca de 3KW/cm² necessitando assim de outros gases para produzir tal potência misturar cerca de 10 a 20% de CO2 e nitrogênio ou oxigeni com gás Hélio. Este gás serve para dissipar o calor gerado no campo elétrico e para a remoção de sujeiras óxidos e material removido da peça.
 Figura 2- Laser CO2
Fonte: Fundação Roberto marinho (1997)
O laser de estado sólido é o Nd: YAG sendo um laser de cristal, neste a energia é passada por flashlamps ou diodos de laser. A lâmpada de flash e o meio ativo (Nd: YAG) ficam em focos de cilindro selípticos espelhados. Assim a energia da lâmpada é aproveitada ao máximo. O laser trabalha normalmente em impulsos, mas também pode trabalhar em modo continuo. A potência media de impulso é de 1KW. O comprimento da onda é de 1,06mm em infravermelho que podem ser transmitidos por fibas ópticas. Há transições em 940, 1120, 1320 e 1440 nm. Este processo não necessita da utilização de gases, mas que podem ser aplicados para a proteção do feixe. 
Figura 3- Laser Nd: YAG
Fonte: Adaptado de catálogo da revista NEI
4. Parâmetros de controle
4.1 Tipo de corte
 	O corte pode ser executado em modo contínuo ou em modo pulsado, o modo é selecionado em função do material a cortar ou processo que se deseje executar. A potência de pico do pulso no corte pulsado ou a potência média do corte contínuo determinam a penetração e a velocidade de corte é superior no modo contínuo.
Figura 4- Uma comparação do corte a laser continuo e do corte a laser pulsado
Fonte: Adaptado de Powell (1993)
Em aplicações industriais de corte, o modo contínuo é o mais utilizado, por conseguir cortar com muita eficiência diversos tipos de materiais em uma ampla faixa de espessura. O modo pulsado possui aplicações mais específicas, tais como realizar perfurações em chapas mais espessas de materiais refletivos e realizar cortes com qualidade superior. As estrias formadas durante o corte pulsado são mais finas do que as formadas durante o corte contínuo. No corte contínuo a altas velocidades,a potência do laser é usada quase inteiramente para derreter o material na parte frontal cortada e há relativamente pouca condução de calor para dentro do material de base. No entanto, uma parte do calor é conduzida para o metal de base quando a direção do corte é invertida ou quando se tem um corte de um canto agudo. Isso reduz a taxa de alimentação e faz com que a peça aqueça diminuindo a qualidade do corte 
 4.2 Ótica de focalização e posição do ponto focal 
Habitualmente utilizam-se lentes convergentes para focalizar o feixe numa mancha de pequenas dimensões. A distância focal da lente é um parâmetro importante do componente ótico, uma vez que quanto menor for à distância focal menor é o diâmetro do feixe no ponto focal e menor a largura de corte obtido Sistemas óticos com 5’’ e 7,5’’ de distâncias focais são normalmente utilizados para o corte. Distâncias focais de 5’’ são adequados para materiais finos. Para materiais mais espessos as distâncias focais de 7.5’’ são usadas. Com distâncias focais de 5’’ o corte é mais estreito em comparação com as distâncias focais de 7.5’’. As possíveis velocidades de corte para as distâncias focais de 5’’ são maiores para a mesma espessura do material e potência do laser. Os materiais com espessuras menores são cortados com distâncias focais de 5’’ por razões de economia. As distâncias focais de 7,5’’ proporcionam maiores profundidades de focais e possibilitam o corte de materiais com Corte Contínuo Corte Pulsado Comprimento focal Ponto focal 36 espessura maiores. O ponto focal varia conforme a espessura do material a ser cortado. O ponto focal deve ser regulado conforme a espessura da chapa podendo o mesmo ficar posicionado na superfície da chapa ou abaixo dela.
Figura 5- Posição do ponto focal
Fonte: Adaptado de Esab (2014)
O posicionamento exato do ponto focal é um requisito importante para se obter bons resultados de corte. Para espessuras até 3 mm a posição focal deve ser na superfície da chapa. Para espessuras maiores, como regra geral, o foco deve ficar posicionado a uma medida de 1/3 da espessura da chapa abaixo da superfície. A lente de focagem deve ser ajustada de tal modo que o feixe do laser focado deva ficar no centro do furo do bocal conforme figura 16. Quando o feixe do laser não estiver centrado a qualidade do corte diminui consideravelmente podendo até não realizar o corte da chapa. Isto acontece devido ao gás de assistência não conseguir proteger a região do corte da mesma maneira em todos os seus lados. 
4.3 Velocidade de corte 
A velocidade de corte deve ser equilibrada com a potência e com a taxa de fluxo de gás. Quanto maior a velocidade de corte maior é a rugosidade da borda e possíveis rebarbas podem surgir. Velocidades muito elevadas podem causar um corte incompleto do material. Quando a velocidade de corte é muito baixa ocorre à queima excessiva da borda o que degrada a qualidade da aresta e aumenta a largura da zona termicamente afetada. Em geral a velocidade de corte de um material é inversamente proporcional à sua espessura. 
4.4 Tipo de gás de assistência e sua pressão 
O gás de assistência serve para remover o material fundido do canal de corte e ajuda a resfriar por convecção forçada a zona aquecida pelo laser assim diminuindo a largura da zona termicamente afetada. O tipo de material e os requisitos dos resultados de corte determinam o gás a ser utilizado. O gás exerce funções importes durante o corte a laser. A escolha do gás tem um efeito significativo sobre a produtividade e a qualidade do processo de corte. Os gases utilizados são o oxigênio e nitrogênio onde cada um tem suas próprias vantagens e desvantagens. Um gás inerte, tal como o nitrogênio, expele o material fundido sem permitir que as gotas se solidifiquem no lado de baixo gerando rebarbas, enquanto que um gás ativo, como o oxigênio, participa numa reação exotérmica com o material. O gás também atua para suprimir a formação de plasma durante o corte de espessuras mais grossas e protege os espelhos contra respingos pelo fluxo de gás. Um material combustível como a madeira não deve ser cortado com oxigênio, pois irá entrar em combustão. O oxigênio deve ser usado apenas para peças metálicas. No processo de corte com o oxigênio, a presença do mesmo contribui para ocorrer à reação exotérmica, Bocal Feixe do laser Centrado Fora de centro Fora de centro 38 que efetivamente aumenta a energia do laser. O oxigênio forma uma fina camada de óxido durante a combustão exotérmica. Cerca de 50% da energia total para o processo de corte é fornecida por meio da reação de oxidação. Assim, resulta em altas velocidades de corte e a capacidade de cortar materiais com espessuras maiores. Ao cortar materiais mais grossos, a pressão do gás deve diminuir a fim de evitar o efeito do aquecimento, enquanto que o diâmetro do bico é aumentado. A qualidade do oxigênio aplicado é particularmente importante para os resultados de corte, onde a pureza do oxigênio recomendado é de 99,95%. Com o uso de oxigênio com uma pureza de 99,5% a velocidade de corte é reduzida em aproximadamente 10%. A pressão no bico do gás de oxigênio encontra-se geralmente na gama de 0,5 a 5 bar. A qualidade do nitrogênio também é muito importante para o corte de alta pressão de aço inoxidável. O nitrogênio é o gás preferido para o corte de aço inoxidável, alumínio e ligas de níquel e que requer pressões do gás mais elevadas para remover o material fundido a partir do corte. O principal problema associado com o corte gerado pelo nitrogênio é a formação de rebarbas no lado inferior do corte. A pressão do nitrogênio encontra-se na faixa de 10 a 20 bar e a mesma aumenta com o aumento da espessura do material. A espessura do material deve ser combinada com a pressão do gás. A pressão do gás deve ser definida com muito cuidado, porque a qualidade do corte é afetada por pequenas mudanças na pressão. Se a pressão for demasiadamente baixa, a escória fluida permanece aderida ao material da base, formando uma rebarba permanente ou irá gerar um corte incompleto. Se a pressão for demasiado elevada, as bordas inferiores do corte são queimadas e muitas vezes torna o corte inutilizável.
4.5 Bico de corte e distância entre o bico e a peça
 	A seleção correta do bico para o processo é muito importante. O bico de corte deve ter uma geometria para que o gás de assistência flua através do orifício. A concepção do bocal, em particular o desenho do orifício determina a forma do jato do gás de assistência e, portanto, a qualidade do corte. Defeitos geométricos do bocal de saída do laser e o acabamento inadequado da parte interna do bico afetam a qualidade do corte 39. Quanto ao diâmetro do bocal, se o mesmo for grande o consumo de gás de corte aumenta e o mesmo vai proporcionar um fluxo de gás insuficiente para expulsar o material fundido. Quando o diâmetro do bocal for pequeno o corte terá sua qualidade reduzida originando rebarbas na parte inferior e podendo o mesmo às vezes não ser completado. O diâmetro do bocal pode variar entre 0,8 mm e 3 mm e o mesmo é selecionado de acordo com o material e a espessura da chapa. O tamanho do feixe do laser é bem menor que o diâmetro do bocal, pois é necessário que o gás de assistência preencha coaxialmente os espaços entre a circunferência do bocal e a do feixe de laser. 
Figura 6- Características do bocal
Fonte: Adaptado de Xiao(2007)
O controle de altura entre o bocal e a peça é realizado por um sensor capacitivo. Esta altura tem um grande efeito sobre a qualidade do corte. A distância entre o bocal e a peça influência os padrões de fluxo do gás, que têm uma relação direta com o desempenho e a qualidade do corte. Grandes variações na pressão podem ocorrer se a distância for maior do que 1 mm. Uma distância menor do que o diâmetro do bico é recomendado, pois elimina a turbulência e minimiza a variação da pressão do gás de assistência na região do corte. Distâncias pequenas combinadas com a baixa pressão do gás de assistências podem danificar a ótica de focalização, pois o material Feixe laser Entradado gás de assistência Lente de focalização Bocal Material Direção de corte Superfície de corte Rebarbas Material ejetado Camada líquida 40 fundido pode entrar pelo orifício do bocal atingindo a lente e afetando a mesma.
5. Aspectos econômicos do processo
Ao buscar informações sobre o corte laser o preço surpreende, pois, essa técnica dá origem a produtos extremamente acessíveis, comercializados a valores bastante competitivos, tendo um excelente custo-benefício. A crescente evolução tecnológica tem possibilitado, nos últimos anos, a redução do custo do investimento inicial em equipamentos e o aumento da potência destes, credenciando o processo do corte laser como excelente opção não somente por uma avaliação exclusivamente técnica, como no caso do processamento de materiais não metálicos, mas também por uma análise custo x benefício para o corte de metais. É com esta visão que o processo de corte laser torna-se cada vez mais uma necessidade emergente em várias empresas, expandindo-se em grande escala no cenário mundial e particularmente, no Brasil.
5.1 Gastos do Processo 
Figura 7- Maquina de 80w para cortes em mdf.
Fonte: Autores
6. Aplicações
Apesar do alto custo inicial cada vez mais esse tipo de usinagem vem ganhando espaço nas indústrias. A sua principal utilização é na produção de chapas para as indústrias automobilísticas, transportes, agrícolas e implementos. E o seu uso é recomendado principalmente quando as peças apresentarem formas complicadas e for exigido um acabamento superficial livre de rebarbas na região que é realizada o corte.
7. Conclusões
Com o estudo realizado podemos concluir que o processo de usinagem a laser ainda tem muito a crescer, tendo em vista que inúmeras pesquisas vêm sendo feitas sobre a utilização do laser, consequentemente descobrindo novos lasers que tem o desafio de serem um ótimo custo-benefício.
Com este avanço tecnológico, os processos de usinagem a laser se tornarão mais rápidos e precisos.
Referências
https://www.sculpteo.com/blog/2016/10/05/the-history-of-laser-cutting-from-masers-to-co2-laser-cutting/
https://pt.slideshare.net/commandosc/usinagem-a-laser
https://pt.scribd.com/doc/132748726/Usinagem-Laser-e-Usinagem-Plasma
SHANJIN, L.; YANG, W. An investigation of pulsed laser cutting of titanium alloy sheet. Optics and Lasers in Engineering. Volume 44: p. 1067–1077, 2006.
SANTOS, J. F. O.; QUINTINO, L.; MIRANDA, R. M.. Corte por laser. Lisboa: Instituto de Soldadura e Qualidade, 1993. 167 p.
WANDERA, C. Laser cutting of austenitic stainless steel with a high quality laser beam. 2006. 108 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Science In Technology, Lappeenranta University Of Technology, Lappeenranta, 2006.
XIAO, Z. Fiber laser cutting of mild steel. 2007. 85 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Science In Technology, Lappeenranta University Of Technology, Lappeenranta, 2007.
POWELL, J. CO2 laser cutting. London: Springer London, 1993. POWELL, J.; AL-MASHIKHI, S.O.; KAPLAN, A.F.H.; VOISEY K.T. Fiber laser cutting of thin section mild steel: an explanation of the “striation free” effect. Optics and Lasers in Engineering. Volume 49: p. 1069-1075, 2011.
ESAB. Laser cutting process.