Corte Térmico - Laser PDF 2021

TECNOLOGIA MECÂNICA I CORTE TÉRMICO - LASER Carlos Leitão Ivan Galvão Ivo Bragança  Corte Térmico - Laser Processos Térmicos Introdução A alteração de estado do material a r...

TECNOLOGIA MECÂNICA I CORTE TÉRMICO - LASER Carlos Leitão Ivan Galvão Ivo Bragança  Corte Térmico - Laser Processos Térmicos Introdução A alteração de estado do material a remover pode ser: Fusão (est. sólido  est. líquido) Fusão seguida de ebulição (est. sólido  est. líquido  est. gasoso) Sublimação directa (est. sólido  est. gasoso) Densidade de energia e tempo de interacção para o processamento dos metais 2  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Processos Térmicos Introdução No processo de remoção por laser a energia útil (fornecida ao material) está dependente de: Características de reflectividade Condutibilidade térmica, calor específico, densidade, temp. de fusão e ebulição Propriedades do laser Densidade Temp. Fusão Calor Específico Cond. Eléctrica Cond. Térmica Platina Tungsténio Madeira Prata Prata Ouro Tântalo Porcelana Cobre Cobre Tungsténio Titânio Alumínio Alumínio Alumínio Tântalo Aço Grafite Magnésio Magnésio Algumas propriedades Cobre Cobre Vidro Tungsténio Tungsténio que influenciam o corte Aço Ouro Titânio Aço Berílio térmico dos materiais Titânio Alumínio Aço Estanho Aço Alumínio Magnésio Cobre Grafite Cerâmicos Vidro Chumbo Molibdénio Cerâmicos Titânio Magnésio Estanho Tungsténio Plásticos Vidro Plásticos Plásticos Chumbo Quartzo Plásticos 3  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Processos Térmicos Introdução Comprimentos de onda 4  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Peças - exemplos Peças metálicas e não metálicas Formas com geometrias variadas Peças de diferentes espessuras metais, cerâmicos, plásticos, borracha, tecido, madeira, etc. 5  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Peças - exemplos Permite realizar diversas operações como cortar, furar, abrir rasgos, alterar a superficie, etc. 6  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser 7  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser 8  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser 9  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser 10  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser 11  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Materiais Os materiais metálicos, especialmente aços e alumínios, são frequentemente cortados por laser. Também pode cortar ligas de cobre e titânio O corte de materiais não metálicos tem sofrido, porém, um importante incremento nos últimos anos, em particular, os plásticos, as madeiras, os cerâmicos e os têxteis Em ligas metálicas não ferrosas com elevada condutividade térmica e reflectividade ao feixe laser, as velocidades de corte são, necessariamente, mais baixas 12  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Algumas Características do Processo Processo de elevada densidade de energia [W/cm2] Velocidades de corte elevadas Distorções e zonas termicamente afectadas (ZTA) mínimas (gás) Calor concentrado quase totalmente na área de material a remover. Aquecimento residual do material/peça Larguras de corte muito pequenas, da ordem de grandeza do diâmetro do feixe no ponto focal (aumentam com a espessura) 13  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Laser A palavra laser é um acrónimo de: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificação da luz por emissão estimulada de radiação) Laser converte a energia elétrica num feixe de luz monocromático (um só comprimentos de onda) e colimado (todos os raios alinhados e paralelos) O feixe de luz é focado num ponto de reduzida dimensão, promovendo elevada densidade energética, adequada para maquinar peças 14  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Mecanismo de Corte O corte laser é, basicamente, um processo térmico que remove material recorrendo um feixe laser promotor da fusão e/ou evaporação da peça. Em função da conjugação da fonte de radiação laser e do meio (gás utilizado no processo), o mecanismo de remoção de material pode variar entre um processo de corte por chama, corte por fusão e corte por sublimação No sentido desta evolução, a densidade de energia aumenta e a entrega térmica sobre a peça diminui Em geral, esta evolução encontra-se associada a um melhor acabamento das superfícies cortadas (dependente dos parâmetros operativos e do material a processar) 15  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Mecanismo de Corte Em particular para aços de baixa liga, o gás de corte tipicamente usado é o oxigénio Este processo denominado corte por chama a laser, recebe uma energia adicional da reacção exotérmica do material que é aquecido acima da temperatura de ignição Assim, neste caso, é necessária menor potência de laser do que no corte por fusão 16  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Corte laser por sublimação stent cardíaco 17  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Representação esquemática de um equipamento 18  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Tipos de Laser O tipo de laser é, geralmente, classificado pelo meio activo usado: - Lasers de gás (ex: CO2) - Lasers de estado sólido (ex: Nd-YAG) Valores de ponto laser para diferentes comprimentos de onda Nd:YAG Nd:YAG Tipo de laser CO2 Nd:YAG 2ª harmónica 4ª harmónica Comprimento de onda (nm) 10600 1064 532 226 Ponto de laser (m) 175 17.6 8.8 4.4 19  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Tipos de Laser Tipo de laser é tipicamente classificado pelo meio activo usado: - Lasers de gás (ex: CO2) - Lasers de estado sólido (ex: Nd-YAG) Lasers de CO2 - mistura de CO2 + N2 + He em concentrações de, aproximadamente, 6%, 10% e 84%, respectivamente. O dióxido de carbono constitui uma espécie emissora de radiação (é o meio libertador dos fotões que integram o feixe), enquanto que o azoto ajuda a excitar as moléculas de CO2 para o nível de energia mais elevado, e o hélio ajuda a manter o nível de energia térmica. 20  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Tipos de Laser Laser CO2 Meio activo à base de uma mistura gasosa de hélio, azoto e CO2 (possibilidade de outros aditivos) Quando o meio activo é estimulado por descargas eléctricas, as moléculas de azoto transferem energia para as moléculas de CO2 A transição de um nível vibracional superior, das moléculas de CO2, para um nível energético inferior é acompanhada com a emissão de um fotão Ao colidir com os átomos de He, que estão em maioria na mistura, o CO2 volta ao estado fundamental podendo iniciar novo ciclo 21  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Tipos de Laser Lasers do estado sólido (Nd:YAG, Yb:YAG) - Enquanto que nos lasers gasosos o meio activo consiste em átomos, iões ou moléculas, estes lasers utilizam materiais cristalinos. Lasers de díodo Lasers de fibra Lasers de excímeros Valores de ponto laser para diferentes comprimentos de onda Nd:YAG Nd:YAG Tipo de laser CO2 Nd:YAG 2ª harmónica 4ª harmónica Comprimento de onda (nm) 10600 1064 532 226 Ponto de laser (m) 175 17.6 8.8 4.4 22  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Laser de CO2 23  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Laser de CO2 Sistema de arrefecimento - Utilizado, geralmente, um sistema de arrefecimento a água Ressonador - Dois espelhos paralelos colocados na extremidade que reflectem partículas de luz entre eles. A percentagem de luz transmitida através de espelho da frente  Feixe laser intenso monocromático e paralelo de partículas de luz  Focado e usado para processar o material A percentagem de luz que permanece no interior do ressonador é necessária para manter uma emissão estimulada de fotões contínua 24  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Etapas do corte 1 - Um feixe laser de elevada intensidade é produzido na fonte 2 - O feixe é direccionado para a cabeça de corte através de um sistema de espelho 3 - Na cabeça de corte, o feixe é focado na superfície do material, através de um sistema óptico 4 - A mancha focal é geralmente muito reduzida (0,1 a 0,6 mm de diâmetro), produzindo-se, assim, densidades de energia muito elevadas A regulação da mancha focal dependerá das características da peça/material a cortar e pode coincidir com a superfície ou situar-se no seu interior 25  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Etapas do corte 5 - A energia do feixe faz aquecer rapidamente o material na zona de interacção, acima do ponto de fusão, dando origem a uma fusão muito localizada, ao longo da espessura da peça 6 - A injecção de gás pressurizado (N2, O2, He, Ar, ar…) expele o material fundido da zona de interacção, obtendo- se a separação das duas partes A injecção do gás de corte pressurizado é efectuado coaxialmente junto ao feixe de laser. O gás tem também a função de proteger e arrefecer o sistema óptico 7 - O deslocamento relativo do material e da fonte de energia promove o corte de material ao longo da peça Consoante equipamento o movimento relativo feixe/peça, pode ocorrer através da manipulação do feixe, manipulação da peça ou de forma hibrida. Sistemas mais complexos permitem fabricar peças a 3D mais complexas 26  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Parâmetros Operativos O processo é influenciado por diferentes variáveis: Potência [W] Velocidade de corte [m/min] Deve adequar-se aos restantes parâmetros, majorando-se o seu valor, de forma a permitir um corte de boa qualidade, elevada produtividade e ZAC mínima Gás de assistência - Tipo e Pressão Crucial para a eficiência do processo. Deve ser escolhido em função do material a cortar (aço de baixa liga, titânio, polímeros, etc.) Ex: ejecção de polímeros da zona de corte requer menos pressão do que o aço 27  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Parâmetros Operativos Os parâmetros do laser com maior influência no processo são: Comprimento de onda - Parâmetro importante que afecta o processo de remoção de material. Influencia a resolução máxima (dimensão do ponto laser), a focalização e a absorção de radiação. Valores de ponto laser para diferentes comprimentos de onda Nd:YAG Nd:YAG Tipo de laser CO2 Nd:YAG 2ª harmónica 4ª harmónica Comprimento de onda (nm) 10600 1064 532 226 Ponto de laser (m) 175 17.6 8.8 4.4 28  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Parâmetros Operativos Os parâmetros do laser com maior influência no processo são (cont.): Dimensão do ponto laser - Aspecto fundamental no processamento de pequenos detalhes geométricos (focagem do feixe laser numa área muito pequena). O diâmetro mínimo do ponto laser é determinado pelos limites de difracção do sistema óptico (um dos aspectos de maior influência é a qualidade das lentes utilizadas). Intensidade do laser - A potência de um feixe laser corresponde à potência óptica de saída. Contudo, devemos saber qual potência de corte efectiva, que dependerá das condições de trabalho (potência gerada vs potência usada no corte). Energia absoluta - Corresponde à energia total num impulso de raio laser (joule). 29  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Parâmetros Operativos Divergência do feixe - Qualquer feixe laser de rotação simétrico pode ser caracterizado pelos seguintes parâmetros: - Posição do feixe (Z0) - Raio da cintura do feixe (W0) - Ângulo de divergência (0) Os parâmetros de um feixe laser são o resultado dos parâmetros descritos anteriormente (W0 e 0). Mantêm-se constantes em toda a região do feixe laser. A utilização de sistemas ópticos com desvios ou aberturas pode influenciar os produtos dos parâmetros do feixe laser ao longo do caminho óptico externo. 30  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Parâmetros Operativos Duração do impulso laser - Afecta a distância de difusão do calor na peça. Geralmente, para impulsos longos (> 10 ps) o calor depositado na peça difunde-se durante o impulso. Laser Contínuo Laser Pulsado 31  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Laser Pulsado A rugosidade da superfície de corte é largamente determinada pela natureza das estrias geradas na superfície de corte Ao cortar-se em modo contínuo, o passo e a amplitude das estrias é controlado, sobretudo, por factores específicos do material processado (espessura, conteúdo de elementos de liga, etc.) É possível alterar a natureza das estrias na superfície cortando-se em modo pulsado (produção de estrias através da sobreposição de remoções sucessivas de material ao longo da peça). O controlo do passo e amplitude das estrias torna-se mais dependente dos parâmetros do processo (equipamento) Estrias muito próximas levam a melhoria da superfície, diminuição da rugosidade 32  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Vantagens Processo facilmente automatizado  elevada precisão e reprodutibilidade nas peças a executar; Largura do corte extremamente pequena (0,1 a 0,6mm)  Feixe laser altamente concentrado Elevadas velocidades de corte  Maioria do calor concentrado no material a remover  ZAC pouco significativa  distorção mínima das peças; Processo onde não existe ferramenta física, não existe contacto, “sem forças”  Baixa exigência em termos de fixação das peças e sem desgaste de ferramenta 33  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Vantagens Alta qualidade de corte e aplicável numa gama de materiais bastante alargada. Boa capacidade de realizar furos com elevada esbeltez e micro-furos em materiais de difícil execução por corte de arranque de apara. Componentes cortados prontos para serviço sem operações complementares de limpeza e acabamentos. É um processo silencioso, rápido e limpo. 34  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Limitações Difícil de executar o corte em materiais reflectores, de elevada condutividade térmica, não uniformes e laminados sensíveis à temperatura; Equipamento dispendioso, elevado investimento inicial. Requer operadores com alguma experiência e perícia. Em alguns casos existem fumos, material vaporizado e risco de incêndio. Má utilização pode danificar o equipamento. Tolerâncias de corte piores para cortes mais profundos. Tipicamente com custos de manutenção elevados Baixa eficiência energética. 35  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser O processo A eficiência do processo aumenta para comprimentos de onda pequenos. A forma como o laser transmite o calor à peça é fortemente influenciada pela reflectividade do material a processar, sendo vantajoso para a eficiência global do processo que o seu valor seja o mais baixo possível, pois altera a forma como o material absorve essa energia. Comprimento de onda (nm) Material 10600 1064 532 255 Ferro 88 75 50 40 Cobre 99 97 61 42 Níquel 95 73 60 43 Silício 75 30 42 60 Exemplo da reflectividade dos materiais (%) para os comprimentos de onda usuais, à temperatura ambiente e em condições normais de incidência 36  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Características morfológicas de peças cortadas 37  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Características morfológicas de peças cortadas zona de actuação na peça corte estreito com superfícies de corte paralelas (focagem optimizada) corte cónico (focagem não optimizada - acima do plano de focagem óptimo) zona de actuação na peça gás de corte - O2 38  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Características morfológicas de peças cortadas Aço Aço inoxidável Alumínio superfícies de corte, em três materiais distintos, com “bom acabamento” gás de corte - O2 A morfologia da superfície depende do material a cortar e da sua interacção com o feixe/gás de corte 39  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Características morfológicas de peças cortadas 40  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Os equipamentos Algumas características comuns: Eixos que permitem movimentar a cabeça de corte laser são céleres Fontes de feixe laser de elevada potência necessitam de sistema auxiliar de arrefecimento Sistema de injeção de gás de corte na cabeça de corte Sistema de Controlo Numérico 41  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte Térmico - Laser Corte Térmico - Laser Método Gráfico - Expressão (polímeros) V = P.Q.t-B V - velocidade de corte máxima P - potência do laser t - espessura do material (peça) Q - constante experimental (combinação materiais metálicos - teste de parâmetros laser/sistema óptico) (várias iterações) B - constante experimental (material da peça) 42  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Corte por Jacto de Água Corte Térmico - Laser Exercícios 1. Explique sucintamente o mecanismo de remoção de material no corte laser. 2. Indique vantagens da utilização do processo de corte laser face a processos de corte mecânico. 3. O comprimento de onda do laser afecta as características das peças cortadas. Sucintamente explique como escolheria este parâmetro para obter um corte mais reduzidos. 4. Indique quatro limitações do processo de corte laser. 5. Desenho esquematicamente a forma da “ferramenta” do laser e do corte de jacto de água. 43  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Dúvidas? Questões? Até à próxima aula!  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I