O corte a laser de ultra alta potência
Publicado por Reginaldo em LaserCast · Domingo 29 Out 2023 · 8:45
Tags: corte, a, laser, de, alta, potência
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O corte a laser de alta potência em crescimento contínuo!
O mercado de corte a laser ocupa uma grande participação entre muitas aplicações industriais. Nos últimos anos, o corte a laser tem visto um crescimento considerável em paralelo ao aumento da demanda por máquinas de corte a laser para chapas metálicas de média espessura.
Dois métodos são atualmente utilizados para cortar chapas: corte a plasma e corte a laser. O corte a plasma remonta à década de 1950, quando foi desenvolvido como uma alternativa ao corte por chama. Ele funciona disparando um gás superaquecido e eletricamente ionizado (ou seja, plasma) de um bocal em alta velocidade em direção à peça de trabalho. Um arco elétrico é então formado dentro do gás. Este arco elétrico ioniza parte do gás, criando um canal eletricamente condutor de plasma no processo. À medida que a eletricidade da tocha cortadora percorre esse plasma, calor suficiente é gerado para derreter através da peça de trabalho. O plasma e o gás comprimido sopram o metal fundido quente para longe, resultando na separação da peça de trabalho. Além disso, o corte a laser de ultra-alta potência permite a manipulação de uma ampla variedade de materiais, como metais ferrosos e não ferrosos. Com seu caminho de crescimento contínuo, o corte a laser de ultra-alta potência se torna cada vez mais indispensável na indústria moderna.

O corte a laser foi desenvolvido pela primeira vez na década de 1960 como uma forma de cortar buracos em matrizes de diamante. Esse processo de corte térmico usa um laser de alta potência dirigido por computador, juntamente com oxigênio, nitrogênio e ar comprimido para queimar, derreter, vaporizar ou soprar o material que está sendo cortado. O feixe de laser é emitido pela fonte de laser e, em seguida, transportado através de uma linha de luz adequada (feita por vários espelhos ou um cabo de fibra óptica) para a cabeça do laser contendo as lentes que focalizam o feixe na superfície do material para corte e perfuração.
Existem dois tipos de lasers usados nessas aplicações: o CO2, que trabalha em um comprimento de onda de 10,6 μm, e os lasers de estado sólido, que operam em torno de 1 μm (lasers de disco fino e fibra). Os lasers de CO2 são mais baratos, mas não podem cortar cobre, latão e alumínio porque não funcionam em superfícies reflexivas. Em contraste, os lasers de estado sólido (além de uma maior eficiência energética/plugue de parede e maior variedade de materiais) têm o grande benefício de uma velocidade de processamento/taxas de alimentação muito mais altas, devido à maior taxa de absorção de ~1 μm vs. ~10 μm de comprimento de onda em materiais ferrosos.
Cada método oferece certos recursos e benefícios que tornam um mais adequado para uma aplicação do que o outro. Em geral, o principal benefício do corte a laser é seu processo sem contato, usando calor para cortar o material, e é muito mais preciso; O principal benefício do corte a plasma é que ele oferece versatilidade em diferentes tipos de metal. Existem várias diferenças importantes entre o corte a laser e a plasma:
Tecnologia de corte: Os cortadores de plasma usam uma mistura de gases com um arco elétrico, enquanto os cortadores a laser usam um feixe de luz focado.
Precisão: No corte a plasma, existem alguns trabalhos de corte que os cortadores de plasma de alta definição não conseguem lidar; por exemplo, cortar uma lâmina de serra finamente detalhada. Em comparação, os cortadores a laser oferecem um nível muito maior de precisão e tolerância.
Investimento de capital necessário: O corte a plasma é relativamente baixo, enquanto o corte a laser é consideravelmente maior.
Velocidade de corte: Os cortadores de plasma são relativamente lentos, enquanto os cortadores a laser geralmente podem cortar metal mais rapidamente do que os cortadores de plasma e usar menos energia, tornando-os uma opção de corte de metal mais ecológica.
Espessura de corte: Os cortadores de plasma geralmente podem cortar qualquer tipo de metal com até 80 mm de espessura. Em contraste, os cortadores a laser geralmente não podem cortar materiais tão espessos quanto os cortadores de plasma, e geralmente só podem cortar eficientemente materiais com até 25 mm de espessura.
Versatilidade: Os cortadores de plasma são limitados ao corte; no entanto, eles podem cortar todos os tipos de metal. Os cortadores a laser podem cortar, gravar e soldar e podem ser usados para cortar não-metais, cerâmica e vidro.
Como mostrado acima, o corte a laser tem várias vantagens sobre o corte a plasma. O primeiro é a gama de materiais – o corte a laser pode ser usado em todos os materiais comuns no processamento industrial, do aço ao alumínio, aço inoxidável e chapas de metal não ferroso, a materiais não metálicos, como plásticos, vidro, madeira ou cerâmica. Em segundo lugar, há a liberdade de contorno, na medida em que o feixe de laser empacotado apenas aquece o material localmente e o resto da peça de trabalho é submetido a pouco ou nenhum estresse térmico. Isso significa que o kerf é pouco mais largo que a viga e complexo, o que permite o corte suave de contornos intrincados e livres de rebarbas. O corte a laser também pode produzir bordas de corte de alta qualidade com pulsos ultracurtos que vaporizam praticamente todos os materiais tão rapidamente que a influência do calor não pode ser detectada, criando assim arestas de corte de alta qualidade sem ejeção de material fundido. Isso torna os lasers ideais para a fabricação dos produtos metálicos mais intrincados, como stents para tecnologia médica e corte de vidro quimicamente endurecido para a indústria de displays.
Lasers de fibra
Os primeiros dispositivos comerciais a laser, que surgiram no mercado no final da década de 1980, usavam bombeamento de diodo monomodo, emitindo apenas algumas dezenas de miliwatts. Para muitas aplicações de laser, no entanto, watts de potência óptica em vez de miliwatts foram necessários e o salto para a saída de laser de fibra de nível de watt foi feito com a introdução de um laser de fibra dopado com érbio de 4 W. Esse desenvolvimento lançou as bases para a era de ouro do desenvolvimento do corte a laser na década de 1990, quando lasers de fibra monomodo de 10 W ou superiores, adequados para micro usinagem e outras aplicações – os primeiros verdadeiros lasers de fibra de alta potência – foram desenvolvidos.
Logo, mais lasers de alta potência chegaram ao mercado com a capacidade de cortar em grandes volumes. No início dos anos 2000, o corte a laser de fibra foi introduzido no mercado comercial. Os primeiros lasers de fibra para corte de metais refletivos foram introduzidos em 2008 e diferentes métodos de transporte de feixe laser permitiram o corte de metais como alumínio, latão, cobre e aço galvanizado.
Estado atual do mercado
Em 2020, segundo revistas o mercado global de máquinas de corte a laser foi estimado em US$ 4,3 bilhões e foi projetado para atingir US$ 7,3 bilhões até 2027, crescendo a um CAGR de 8%. 1 Os principais impulsionadores de mercado identificados foram a crescente demanda por tecnologia altamente eficiente e precisa capaz de produzir acabamento suave, juntamente com a demanda por altas velocidades de processamento e tecnologia de fácil programação de vários setores de fabricação, como defesa, eletrônicos de consumo e automotivo.
Segundo informações de desenvolvedores e fabricantes de sistemas de laser de fibra e CO2, a disponibilidade de fontes de laser de fibra de super alta potência melhorou muito a tecnologia de corte a laser e o posicionamento competitivo dos lasers em relação ao corte mecânico e plasma. Desde 2021, a Cutlite, Metalique, Tavi, Trumpf, Bystronic, entre outros fabricantes, foram instalados centenas de máquinas de corte a laser de mais de 20 kW. Como resultado, as velocidades de corte a laser em materiais de 20 a 50 mm de espessura são agora até 3 vezes mais rápidas do que o plasma, tornando o laser mais rápido, mais barato, mais preciso, mais eficiente e mais sustentável do que as tecnologias concorrentes (ver Fig. 1).
Novos mercados foram abertos para o corte a laser de alta potência, incluindo estruturas de aço, estaleiros e máquinas de construção. Para a revista do Aço, a substituição do plasma pelo laser abriu caminho para uma revolução sustentável, na qual o investimento em materiais e eletricidade promete gerar economias consistentes de emissões de CO2.

Um laser tão poderoso com diâmetro de feixe ajustável permite o uso de apenas um laser e uma máquina para ambas as aplicações, reduzindo as etapas de produção e os custos de fabricação (ver Figuras 2 e 3).
Os fabricantes de cabeçotes de corte a laser, enfatiza a importância da relação entre a produtividade e os elementos ópticos do laser. Há uma dependência quase linear entre potência do laser e produtividade, pelo menos na faixa de potência de até 30 kW; Nessas potências, o comportamento das cabeças de corte a laser entra em foco, pois elas devem funcionar para operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, com qualidade de corte constante garantida durante toda a produção.

O cabeçote de corte opera automaticamente e com estabilidade a longo prazo de até 30 kW de potência a laser, graças ao seu sofisticado conceito de arrefecimento, sensores integrados e alcance de ajuste alargado.
No mercado atual de corte a laser, há um aumento no poder dos lasers de fibra, o que melhorou muito a versatilidade e a produtividade da tecnologia de corte a laser e o posicionamento competitivo dos lasers em relação ao corte mecânico e plasma.
Fonte: Revista Laser Focus World
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