Nova Central de Usinagem a laser no mercado

Construída pela Laser Tools com apoio da FAPESP e equipamentos da Romi

Fonte: Laser Tools

Foto: Divulgação

Para atender as novas demandas tecnológicas do mercado nacional, como os processos envolvendo furação, corte e solda a laser, a LaserTools construiu, com apoio da Fundação do Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo – FAPESP, um equipamento constituído por uma fresadora Discovery 1250 com quatro eixos, comandados por controle numérico, especialmente projetada e desenvolvida pela Indústrias Romi.

O eixo arvore e o carrossel de ferramentas foram retirados e réguas ópticas foram introduzidas para uma maior precisão no posicionamento. A esta fresadora CNC foi adaptada uma placa vertical na qual foi fixado um laser de Nd:YAG, juntamente com um sistema de guiamento e focalização do feixe acoplado a uma câmera CCD.  O sistema incorpora ainda um bico injetor de gás com pressão e fluxo controlado, possibilitando uso de gases inertes (argônio ou nitrogênio) ou reativos (oxigênio) chamados de gases de assistência ao processo.

A integração desta central CNC com o laser foi feita com um sistema CAD-CAM, com pós-processador dedicado ao CNC e ao conjunto do laser, que possibilita a entrada de arquivos de desenhos do tipo.dwx ou .dxf para pronto reconhecimento pelo CNC, facilitando a programação de usinagem com um software Mastercam. Este equipamento integra assim um laser pulsado de Nd:YAG com uma fresadora XYZ que inclui um quarto eixo também comandado pelo software especialista, alem da montagem de uma série de periféricos ao sistema, como sistema de refrigeração do laser, linha de alimentação de gases de processo, sistema de exaustão e filtração de particulado seco, dispositivos de visualização da área trabalhada, de monitoramento do feixe e de pressurização da câmara do laser para evitar a entrada de fuligem.

 A operação no regime pulsado do laser permite o controle exato da potência pico (energia/largura temporal de cada pulso) sobre o ponto de trabalho; o posicionamento por controle CNC com utilização de uma mesa de deslocamento de alta precisão via o monitoramento “cross wire”, permite a escolha do exato ponto a ser processado e a manipulação do feixe laser. 

Através do controle dos parâmetros do ressonador óptico obtém-se ainda um refinamento da ferramenta de usinagem (diâmetro do feixe focalizado) e o conseqüente controle da intensidade e da largura de largura do corte (kerf). A possibilidade de controle de diversos parâmetros simultâneos torna esta central de usinagem um equipamento extremamente versátil e sem equivalente no país. Os atuais sistemas de corte a laser empregados por job shops no país são, exclusivamente, usuárias de lasers de CO2, com alta potência, mesas muito grandes, e com pouquíssima possibilidade de controle dos parâmetros de corte. Não são adequados a cortes de precisão em materiais muito finos, não podem ser utilizados na furação de precisão nem furação com alta razão de aspecto e são bastante limitados a aplicações de soldagem. Cobre, titânio, alumínio e latão são metais de difícil processamento com lasers de CO2.

No nosso caso, com o laser de Nd:YAG, o controle da potência pico e da intensidade permite o exato balanço entre o fluxo de energia entregue ao material e a perda desta energia por reflexão e condução. Este balanço da dinâmica do fluxo de energia por elemento volumétrico permite estabelecer o quão rápido este elemento irá se aquecer, o que determinará seu estado físico durante o pulso laser. Assim, com intensidade moderada podemos apenas liquefazer o material precisamente no ponto focal, o qual se estende por toda a espessura do material (chapa plana). O deslocamento desta “poça líquida”, segundo um desenho predeterminado, ao mesmo tempo em que um forte jato de gás é direcionado sobre o ponto focal do laser, faz surgir um corte limpo, com pequeno kerf seguindo precisamente o projeto armazenado no CNC.

Se a intensidade for reduzida ainda mais, pode-se liquefazer o material com baixíssima perda por evaporação e/ou ejeção. Neste caso, uma solda de precisão pode ser obtida, onde no lugar de um forte jato de gás de assistência utiliza-se uma atmosfera protetora de gás inerte com pressão menor. A utilização de altas intensidades por sua vez leva a uma grande perda de material por evaporação e, principalmente, por ejeção de líquido. Este regime é, portanto utilizado para a furação por percussão, onde uma alta razão de aspecto exige que o material seja expulso do fundo do buraco (antes de se completar o furo) com alta energia cinética.

 Os parâmetros de operação de um laser pulsado e, em particular, do equipamento são, portanto a energia por pulso, a largura temporal de cada pulso e a sua taxa de repetição. A relação entre a energia e a largura temporal fornece a potência pico desejada, enquanto que a taxa de repetição determina qual a velocidade permitida para o processo. A manipulação do feixe laser fornece ainda a possibilidade de se controlar precisamente o diâmetro deste feixe em seu ponto focal.  Além de determinar a intensidade utilizada, isto também possibilita o controle do kerf e do diâmetro do furo. No sentido de atender a estas especificações escolhemos um laser pulsado com controle de seus principais parâmetros, pois a extensão destes parâmetros determina principalmente a espessura do material processado e a velocidade do processo. Estas escolhas provem de uma avaliação do mercado tendo em vista os diversos ramos da atividade industrial do Brasil e da sua demanda por processamento de precisão. Os parâmetros escolhidos para o laser de processamento foram:

  • Energia por pulso: até 15 J
  • Largura temporal: de 0,2 a 10 ms
  • Taxa de repetição: até 500 Hz
  • Potência média máxima de saída: 250 Watts
  • Potência pico máxima: 6 kW
  • Modo espacial do feixe laser: multimodo ou TEM00

Obviamente que o nicho de atuação deste equipamento não se sobrepõe àqueles já atendidos por equipamentos convencionais de usinagem (também em soldagem e furação).

O equipamento se propõe a cobrir uma lacuna deixada tanto por processos mecânicos como químicos, fotoquímicos e até mesmo de outros lasers como no caso dos lasers de CO2 .
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