Introdução

O estudo tem como base trazer um detalhamento e avaliar o momento da
tecnologia corte a laser bem como identificar suas vantagens e desvantagens
para o cenário atual da indústria nacional também ordenar uma visão para um
futuro médio e a abrangência da implantação nos principais segmentos da
indústria.

Fontes de Laser

A base teórica para o descobrimento do laser foram as pesquisas realizadas nos
campos da física quântica e da óptica a partir do final do século XIX,
notadamente a descoberta do processo de emissão estimulada de radiação por
A. Einstein . A primeira emissão laser foi conseguida em laboratório por T. H.
Maiman , com um laser de rubi, em julho de 1960 nos laboratórios Bell, nos
E.U.A.. O acrônimo L.A.S.E.R. é derivado da expressão Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation. Utilizado neste sentido, o termo Light (luz)
refere-se à radiação eletromagnética compreendida em toda faixa do espectro,
do ultravioleta (UV) até o infravermelho (IV), o que está relacionado com
comprimentos de onda de aproximadamente 0,1 até 1000 mm. Luz e radiação,
neste contexto, são a mesma coisa. De acordo com Maiman, um exemplo que
cria as condições necessárias para o funcionamento de um laser é a ocorrência
de uma transição quântica nos níveis energéticos que compõem o meio laser
(átomos, moléculas, íons, etc.) de um estado inicial para outro energeticamente
superior, aumentando a população dos níveis superiores. Este processo é
denominado ‘inversão de população’, pois, em condições de equilíbrio
termodinâmico, os níveis superiores possuem população menor do que os níveis
inferiores, de acordo com a Lei de Boltzman. Com a inversão de população, criase a condição principal para a ‘emissão estimulada de radiação’, que é a
capacidade da própria luz em estimular a emissão de mais luz, tornando possível
uma situação na qual a luz pode ser amplificada.
A Figura mostra o caminho percorrido pelo gás na câmara, e os eletrodos ligados
a ela, responsáveis por gerar o campo elétrico. O telescópio do feixe mostra a
luz sendo amplificada por espelhos, na Figura 6, uma continuação do caminho
percorrido pelo laser, até chegar ao foco.

Processo

Os processo de corte a laser envolve alta concentração de energia, uma vez que
o feixe deve ser muito concentrado e o corte ocorre a velocidades muito altas.
O equipamento consiste em mesas de coordenadas, com capacidade de
movimentação dos eixos x, y e z. Os eixos x e y determinam as coordenadas de
corte, enquanto o eixo z serve para corrigir a altura do ponto focal em relação à
superfície da peça.
O material a ser cortado normalmente encontra-se em forma de chapas que é
colocada sobre uma base especial em forma de pontas, sobre ela o cabeçote
laser movimenta-se em duas direções: longitudinal e transversal. Esses
movimentos são transmitidos por motores elétricos, controlados por computador.
As máquinas de corte a laser podem cortar chapas de aço-carbono de até 20
mm de espessura, porém alguns materiais sofrem problemas ao serem cortados.
O uso de máquinas de corte a laser é recomendado quando as peças
apresentarem formas complicadas e em espessuras relativamente finas.

Principais vantagens do processo de corte a laser

 O raio laser faz seu trabalho sem qualquer tipo de contato. Com isso, a
ferramenta não sofre desgaste sem causar deformações ou danos na
peça;
 O material a ser processado não é restringido pela forma;
 Proporciona acabamento perfeito, sem distorções e com zona mínima
afetada;
 Baixa perda de material;
 Programação flexível e agilidade na linha de produção;
 Alta velocidade na furação e corte;
 Muito pouco barulho, permitindo a máquina trabalhar 3 turnos em locais
de zona mista;
 Não causa distorção nas peças.
 cortes retos;
 pequena largura de corte;
 zona mínima afetada pelo calor;
 mínima distorção e arestas de excelente qualidade;
 permite cortar peças de formas complexas e não requer a troca de
“ferramenta de corte” cada vez que é substituído o material a ser cortado.

Desvantagens:

Pode-se destacar: o alto custo inicial do sistema; a pequena variedade de
potências disponíveis que limitam o corte a espessuras relativamente baixas e a
materiais que apresentem baixa reflexão da luz; a formação de depósitos de
fuligem na superfície no corte de materiais não-metálicos como madeira e couro;
a formação de produtos tóxicos (ácido clorídrico), no corte de PVC.

Potência, Velocidade de corte e Espessura

Gráfico (velocidade de corte do laser), tende a cair, enquanto a espessura da
chapa cortada aumenta (de 1 a 6 mm).

Tipos de Laser

A estrutura básica de um laser é formada pela reunião de três componentes
fundamentais: um meio ativo, uma fonte de bombeamento energético (excitação
do meio ativo) e um ressonador óptico. O meio ativo é composto de elementos
capazes de proporcionar uma inversão de população mediante uma excitação
externa, proporcionando um ganho a partir da luz de fundo proveniente da
radiação de corpo negro. Este meio pode ser constituído por um composto
sólido, por misturas de fluidos (líquidos ou gases) ou até mesmo por um campo
eletromagnético. A fonte de bombeamento é caracterizada segundo os vários
modos pelos quais a energia pode ser fornecida, sendo cada um deles
apropriado para um tipo diferente de meio ativo. O ressonador óptico é o
dispositivo responsável pelo confinamento e manutenção das condição de
oscilação (ganho superior às perdas) da radiação laser dentro do meio ativo. O
ressonador é composto, de modo simples, por uma cavidade cujas extremidades
possuem um par de espelhos contrapostos e alinhados, entre os quais localizase o meio ativo. Um dos espelhos possui um índice de reflexão quase absoluto,
enquanto o outro (janela de saída) apresenta uma certa transmissividade,
permitindo uma perda útil da cavidade do ressonador representada pela própria
emissão do feixe laser.

O Laser de CO2

Existem vários tipos de laser de CO2, porém uma característica comum a todos
é o meio ativo composto, principalmente, por uma mistura gasosa de dióxido de
carbono (CO2), gás nitrogênio (N2) e gás hélio (He). O comprimento de onda de
emissão principal é 10,6 mm, situando-se no infravermelho. A potência de saída
pode ser pulsada ou contínua, com potências médias variando de alguns watts
até dezenas de quilowatts. As técnicas de excitação incluem descarga elétrica,
rádio-freqüência (rf), etc
Lasers de isolantes dopados (meio físico constituído de íons metálicos
embutidos em uma matriz sólida de material isolante; bombeamento realizado
através de descargas luminosas): laser de rubi, lasers Nd:YAG e Nd:vidro, laser
de Alexandrita, etc.
Lasers gasosos (o bombeamento é efetuado através de descargas elétricas
ou, em alguns casos, reações químicas exotérmicas, sobre um meio ativo
constituído de moléculas, íons ou átomos neutros de um gás ou mistura gasosa,
os quais podem estar confinados ou em fluxo na cavidade): laser de He-Ne, laser
de CO2, laser de nitrogênio, laser de excímero, laser de criptônio, laser de HeCd, laser de argônio, laser de CO, etc.

Laser em uso

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. Como esse processo não
requer “estampo de corte”, é possível produzir rapidamente lotes pequenos e
diversificados. O fato de o laser de CO2 gerar uma imensa intensidade de calor
não significa que ele possa vaporizar e cortar todos os metais conhecidos, pois,
cada material reage de forma diferente a esse tipo de energia.

Materiais em relação ao corte a laser

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 situase por volta de 10mm a 12mm, 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 tendências 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 ardentes de metal fundido.
Outros matérias: O laser corta ainda vários outros materiais não metálicos
como: polímeros, têxteis, couro, cerâmica, rochas etc.

Corte a Plasma

O corte a plasma é um processo que utiliza um bico com um orifício para
constringir o gás ionizado em alta temperatura até que possa se utilizado
para cortar seções de metais, como o aço carbono, aço inoxidável, o alumínio
e outros metais eletricamente condutores.
Esse processo é o que tem o maior crescimento no mercado por causa da
sua velocidade e precisão no corte.
Ao longo do tempo recebeu várias tecnologias e continua como um dos
principais métodos de corte de metais. Os tipos de plasmas variam entre
manuais e mecanizados.
Os plasmas manuais mais modernos são equipados com sistema de jato
coaxial de ar, que constringe ainda mais o plasma, permitindo um corte mais
rápido e com menos ângulo. Nos sistemas mecanizados, utilizados
principalmente em manipuladores XYZ comandados por controle numérico.
Através de um controle mais eficiente dos gases e do sistema de refrigeração
respectivamente, incorporam tecnologias que aumentam a consistência do
processo e prolongam a vida útil dos componentes consumíveis.
O corte de plasma tem sido usando para substituir processos mais lentos ou
com maiores custos operacionais.

Funcionamento

Vamos entender como funciona o corte a plasma: você precisa fixar o material
que será cortado, posicionar o bico da tocha na posição vertical em relação à
peça de trabalho o bico da tocha na posição vertical da peça e começar o corte
traçando as bordas. Depois é só prosseguir com o corte de acordo com as
medidas necessárias.
No caso do corte iniciar no meio da chapa ou para fazer furos, a técnica indicada
é iniciar o corte com o bico inclinado.
Para realizar esse processo, são necessários alguns equipamentos de
fornecimento de energia. São eles: uma fonte geradora de energia alimentado
por eletricidade; gás para ser ionizado e ser o meio condutor do arco elétrico (ar
comprimido, argônio, hidrogênio nitrogênio, oxigênio); uma tocha plasma e um
grampo terra para fechar o circuito elétrico.

Vantagens do corte a plasma

A principal vantagem deste sistema em relação ao oxi-corte, é a redução do risco
de deformação por causa da propagação térmica na zona de corte e sua grande
velocidade de corte. Lembrando que não é aconselhável utilizar o cortador de
plasma em pequenos pedaços. Sua temperatura é tão elevada que, nesses
casos, a peça de trabalho pode se deformar.

Plasma x Laser Comparação de Desempenho

Análise comparativa consistiu em cortar três peças diferentes com ambos os
processos, PLASMA XPR170 e 3kw LASER, em todos os casos usando a
potência mais adequada para cada espessura e tipo de corte. Durante os cortes,
as filmagens foram realizadas e os dados de produtividade, qualidade do corte
e custo operacional foram registrados.

Peça 1 – espessura 2 mm

Esta peça foi cortada com o processo de plasma XPR a 30A (O2 / O2) e com um
laser a 1kW (O2).
No gráfico, o laser pode cortar mais que o dobro de peças por turno que o
plasma. A principal razão para o aumento da produtividade é o número de furos,
uma vez que a velocidade de reposicionamento do laser é muito maior que a do
plasma.

O custo operacional desta peça também é menor quando é realizado o corte por
laser. O principal motivo é que mais peças podem ser cortadas com os mesmos
recursos, obtendo um custo menor por peça.

Laser R$ 4,27 por peça
Plasma R$ 9,23 por peça

Embora o plasma faça um trabalho muito bom, observa-se que os cortes a laser
nessa espessura são mais precisos e, principalmente, possuem uma área
menos afetada termicamente. A principal vantagem do laser é observada no
hexágono, pois o raio do arco do plasma limita a capacidade de fazer cantos
internos nítidos.

Peça 2 – espessura 6 mm

Esta peça foi cortada com o processo de plasma XPR a 80A (O2 / Air) e com um
laser a 2kW (O2). No aço carbono de 6 mm, a comparação de desempenho entre
um plasma 80A O2/ Air XPR300 e um laser de oxigênio de 2kW é muito uniforme.
No entanto, observa-se que o plasma pode cortar 70% mais peças por turno.

Para esta peça de 6 mm de espessura, o custo operacional é 28% menor ao usar o processo de plasma.

A qualidade da peça cortada nos dois processos é muito semelhante.
Características de cada processo são observadas. No caso do laser, as bordas
são nítidas e bem marcadas, embora a superfície da borda seja um pouco
áspera. O plasma produz uma borda mais suave, mas apresenta pequenos
traços de escória.

Conclusão

Este estudo tem o objetivo de simples estudo e métodos de corte com alta
precisão para utilização na indústria, muito se fala dos altos custos das maquinas
e equipamentos nos processos de Laser e Plasma, não podemos simplesmente
excluir tais procedimentos por uma visão restrita, desta forma trazer para o
estudo do tecnólogo o funcionamento, custos e aplicações de tais processo pode
além de agregar qualidade ao portifólio de produtos bem elaborado pode
também trazer uma maior produtividade e consecutivamente o retorno
financeiro. Não devemos desconsiderar os demais processos de corte pois
existem muitas vantagens e também desvantagens para cada um dos processos
e um amplo conhecimento fará da gestão do projeto a definição da melhor
formato para seguir.
Vale ressaltar que a tecnologia de corte a laser requer um alto investimento, cabe
ao gerenciamento do projeto de compra ter ampla clareza da utilização e
payback do investimento e não somente o beneficio da qualidade e agilidade do
processo.

Referencias

Aço Carbono – a composição da liga (qualinox.com.br)
https://www.mecanicaindustrial.com.br/
https://www.senairs.org.br/
https://repositorio.unb.br/
https://www.ficaco.com.br/
https://www.troteclaser.com/
Infosolda – O Portal Brasileiro de Soldagem
BAGNATO, Vanderlei S. Os fundamentos da luz laser. São Paulo, 2001.
Disponível em: Acesso em: 03 jul. 2011.
TELECURSO 2000. Corte com laser. Aula 62
Laser versus Plasma (baw.com.br)
https://megaplasma.com.br/
https://www.feimec.com.br
https://pt.eetolaser.com/

Esse texto foi traduzido por alunos da fatec-sp
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