Descrição da máquina de corte a laser: Um guia detalhado

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Data de publicação: 15 de maio de 2024

I. Introdução

Desde que a máquina de corte a laser foi inventada nos anos 60, a sua aplicação alargou-se às indústrias automóvel, aeroespacial, eletrónica e outras.

Por exemplo, no fabrico de automóveis, a tecnologia de corte a laser é utilizada para produzir componentes, como painéis de carroçaria, chassis e sistemas de escape, para melhorar a eficiência e a precisão. Na indústria aeroespacial, a tecnologia, em função do seu desempenho de excelência, desempenha um papel fundamental no fabrico de componentes-chave, como o revestimento de aeronaves, as asas e as pás do motor.

No artigo, os princípios de funcionamento, os componentes básicos, os materiais aplicáveis, as vantagens e as aplicações das máquinas de corte a laser, de modo a introduzir profundamente esta tecnologia revolucionária.

II. Como é que as máquinas de corte a laser funcionam?

Aqui está um pequeno vídeo para que possa apreciar as fascinantes capacidades das máquinas de corte a laser:

Princípios de funcionamento

As máquinas de corte a laser utilizam feixes de laser de alta densidade de potência para irradiar na superfície da peça de trabalho, fazendo com que os materiais derretam, evaporem e sofram reacções químicas.

De um modo geral, o corte a laser pode ser dividido em 4 partes:

  • Irradiada por feixes de laser, a superfície do material absorve rapidamente o calor.
  • O material, com a sua temperatura a exceder o ponto de fusão, começa a fundir-se, formando uma poça de fusão.
  • À medida que a temperatura aumenta, o material evapora-se e forma vapor, e os materiais fundidos são soprados sob a ação do recuo do vapor e do fluxo de ar de corte a alta velocidade.
  • Os raios laser deslocam-se ao longo do percurso de corte e formam fendas estreitas e contínuas no material. Desta forma, o processo de corte é concluído.

Componentes básicos

Normalmente, uma máquina de corte a laser contém os seguintes componentes:

  • Lasers
  • Um sistema ótico
  • Uma cabeça de corte
  • Um sistema de controlo CNC
  • Um sistema de assistência
como funciona um cortador a laser

Lasers:

Como fonte de luz que fornece feixes laser de alta potência e qualidade, os lasers incluem normalmente lasers de CO2 e lasers de fibra.

Fonte de laser

Fonte de laser

Um sistema ótico:

O sistema, incluindo espelhos reflectores, lentes de focagem e outros componentes, foca os feixes de laser com precisão na superfície da peça de trabalho.

Cabeça de corte:

Emite feixes laser e gases de corte coaxialmente e controla os seus movimentos relativos e a sua posição em relação à peça de trabalho.

cabeça de corte

Cabeça de corte

Um sistema de controlo CNC:

Controla as trajectórias e a velocidade de deslocação da cabeça de corte, de modo a cortar automaticamente.

Sistema de controlo CNC

Sistema de controlo CNC

Um sistema de assistência:

Inclui o sistema de arrefecimento, o sistema de exaustão de fumos, o sistema de fornecimento de gás e outras peças para garantir um funcionamento estável e de elevada eficiência.

Entre estes componentes, os lasers, como fator central, decidem diretamente a qualidade e a eficiência do corte. Devido à sua elevada eficiência e qualidade, estas máquinas mágicas estão a expandir o seu horizonte no fabrico industrial, impulsionando o desenvolvimento da tecnologia de corte a laser e o desenvolvimento industrial.

Processo de corte a laser passo a passo

Tomar uma máquina de corte a laser de fibra como exemplo:

máquina de corte a laser
  • Coloque as peças a cortar na bancada de trabalho e defina os parâmetros de corte, como a potência do laser, a velocidade de corte e a pressão do ar, com base nos tipos de material e na espessura.
  • Ativar o laser, o feixe laser é transmitido através da fibra ótica, colimado por um espelho de colimação, focado por uma lente de focagem e emitido pelo bocal.
  • A cabeça de corte desloca-se em duas dimensões em relação às peças, sob o controlo de um sistema de controlo CNC, e a elevada densidade de potência do ponto focal do feixe laser derrete e evapora os materiais.
  • Os gases de corte, como o oxigénio e o nitrogénio, serão pulverizados rapidamente através de bicos para soprar os materiais fundidos e produzir cortes suaves.
  • A cabeça de corte desloca-se de acordo com o percurso e a velocidade projectados, de modo a cortar as formas geométricas pretendidas nas peças.
  • Depois de terminado o corte, desligar os lasers e utilizar ar comprimido para soprar o pó e os salpicos da cabeça de corte e dos componentes ópticos, de modo a preparar a próxima vez.

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É óbvio que o corte a laser é um processo complexo, que envolve um laser, um sistema ótico, um sistema de controlo CNC, um sistema de arrefecimento e outros componentes. Ao mesmo tempo, a definição dos parâmetros de corte deve basear-se nos materiais de processamento, na espessura, nos padrões geométricos e noutros factores.

Só compreendendo os seus princípios de funcionamento e parâmetros de controlo é que podemos tirar o máximo partido da qualidade altamente eficiente, precisa e flexível das máquinas de corte a laser.

III.Tipos de máquinas de corte a laser

De acordo com os tipos de lasers, as máquinas de corte a laser podem ser divididas em três categorias principais: Máquinas de corte a laser CO2, máquinas de corte a laser de fibra e YAG.

As diferentes máquinas variam em termos de princípios de processamento, materiais aplicáveis e desempenho de corte. Vamos desvendar os segredos destas máquinas.

 cortadores a laser

Cortadores a laser CO2

Sendo uma das máquinas de corte a laser mais utilizadas, adoptam gases CO2 como substâncias de trabalho e são activadas por energia para produzir feixes de infravermelhos com um comprimento de onda de 10,6μm.

Além disso, os lasers de CO2 têm um bom desempenho na absorção de não metais, pelo que são adequados para madeira, acrílico, vidro, papel, tecido, plástico e couro.

Prós dos cortadores laser CO2:

  • Ampla aplicação; a espessura de corte de não-metal pode atingir até 60 mm.
  • Fendas estreitas, pequena zona afetada pelo calor e superfície de corte de alta qualidade.
  • Feixes de laser de alta qualidade; saída consistente e estável.
Cortador a laser CO2

Contras dos cortadores laser de CO2:

  • Não é adequado para o corte de metais, especialmente para materiais com elevadas taxas de reflexão.
  • Menor velocidade de corte e eficiência no corte de tábuas grossas
  • Sistema ótico complexo, que requer manutenção e calibração regulares.
  • Elevado consumo de energia com uma taxa de conversão eletricidade-luz de apenas 10 a 15%.

Cortadores a laser de fibra

Utilizando fibras ópticas dopadas com elementos de terras raras como meio de ganho, os cortadores a laser de fibra são bombeados por díodos laser semicondutores, gerando um feixe de luz no infravermelho próximo com comprimentos de onda de 1,06 a 1,07μm.

Os lasers desta banda têm uma taxa de absorção extremamente elevada para os metais. Assim, as máquinas de corte a laser de fibra são especificamente utilizadas para cortar materiais metálicos, especialmente aço inoxidável, aço carbono, alumínio, cobre, etc.

Máquina de corte a laser de fibra de dupla utilização ULFT

Máquina de corte a laser de fibra de dupla utilização ULFT

Prós dos cortadores a laser de fibra:

  • A transmissão por fibra ótica com um trajeto ótico simples não necessita de manutenção.
  • Um pequeno ponto de luz focado com elevada potência e densidade proporciona uma elevada eficiência.
  • Com a taxa de conversão eletricidade-luz a atingir 30 a 50 por cento, poupam energia e são amigos do ambiente.
  • Design de estado sólido, tamanho compacto, elevada fiabilidade
  • Materiais com elevada refletividade, como o alumínio, o cobre e o latão, que podem ser processados com elevada refletividade.

Em comparação com os cortadores a laser de CO2, a velocidade de corte dos cortadores a laser de fibra para materiais metálicos é 2 a 3 vezes superior à dos cortadores a laser de CO2 e é pouco afetada pela refletividade do material. No entanto, têm limitações no corte de materiais não metálicos e os custos são elevados.

Cortadores laser YAG

A máquina de corte a laser YAG é um tipo de equipamento de corte a laser de estado sólido baseado no cristal de granada de ítrio e alumínio (YAG) dopado com iões de neodímio (Nd3+). O seu comprimento de onda de trabalho é próximo do dos lasers de fibra, também em torno de 1,06 μm, pelo que a máquina de corte a laser YAG também é utilizada principalmente para o corte de metais.

Cortadores laser YAG

Prós dos cortadores laser YAG:

  • Custos baixos com elevada relação custo-eficácia
  • Permitir a utilização de materiais altamente reflectores, como o alumínio e o cobre.
  • Os feixes de laser de alta qualidade produzem um efeito de corte perfeito.
  • Com baixa potência, são utilizados principalmente para corte de espessura fina e corte de desempenho de velocidade.

Contras dos cortadores laser de CO2:

  • Os díodos da bomba e os cristais são ambos consumíveis com uma vida útil curta.
  • A eficiência da conversão fotoeléctrica é baixa, geralmente inferior a 3%.
  • A sua potência é limitada e o seu desempenho em termos de espessura e velocidade de corte não é tão bom como o das máquinas de corte a laser de fibra.
  • Estruturas complexas com custos de manutenção elevados.

Comparação:

Antes de começarmos, talvez queiram ver um vídeo!

Tipos de máquinas de corte a laser
ComparaçãoMáquina de corte a laser CO2Máquina de corte a laser de fibraMáquina de corte a laser YAG
Médio ativoGás CO2Fibra dopada com terras rarasCristal de YAG dopado com Nd
Comprimento de onda de saída10,6μm1,06μm1,06μm
Materiais adequadosPrincipalmente não-metais, tais como madeira, acrílico, vidro, papel, tecido, plástico, couro, etc.Principalmente metais, especialmente materiais altamente reflectores; pode também cortar alguns não metaisCorta principalmente metais, como o alumínio, o cobre e outros metais não ferrosos; pode também cortar não metais
Espessura de cortePreferencialmente <12mm, velocidade de corte lenta para chapas grossas<12mm, a velocidade de corte para chapas finas é 2-3 vezes superior à do CO2Baixa potência, apenas adequada para cortar chapas com menos de 8 mm
Qualidade do feixeFraco, maior tamanho da mancha, não adequado para corte de grandes áreasExcelente, pequeno tamanho do ponto, alta densidade de potência, pode conseguir um corte de alta precisãoBom, permite efetuar cortes de alta precisão
Precisão de corteMédioElevadoElevado
Velocidade de corteMédioRápido, várias vezes superior ao do CO2Mais lento do que a fibra, mais rápido do que o CO2
Eficiência electro-ótica10-15%Acima de 30%3-5%
Consumo de energiaElevadoBaixo, cerca de 1/4 de CO2Superior à fibra
Custo de manutençãoAlta, os componentes ópticos e os tubos de radiofrequência necessitam de substituição frequenteBaixa manutenção, praticamente sem manutençãoMédio, as fontes da bomba precisam de ser substituídas regularmente
Custo do equipamentoElevado, cerca de 350.000-1.000.000 CNYMédio, cerca de 200 000-600 000 CNYBaixa, tecnologia madura, cerca de 100.000-300.000 CNY
Custo operacionalElevado, cerca de 20 CNY/horaBaixo, cerca de 4 CNY/horaSuperior à fibra
Indústrias de aplicaçãoDecoração publicitária, transformação de vestuário, mobiliário em madeira, artesanato, etc.Principalmente processamento de metais, como fabrico de automóveis, eletrónica, maquinaria de precisão, etc.Gravação e marcação de metais, corte de chapas finas não metálicas

Em resumo, as máquinas de corte a laser CO2 são adequadas para o corte de não metais, as máquinas de corte a laser de fibra são mais adequadas para o corte de metais, enquanto as máquinas de corte a laser YAG têm uma relação custo-desempenho moderada e podem ser utilizadas como equipamento de nível básico.

Os utilizadores devem ponderar as suas escolhas com base nos factores acima referidos. Com os avanços tecnológicos, espera-se que as máquinas de corte a laser de fibra substituam as máquinas de corte a laser de CO2 para se tornarem a corrente principal em mais campos.

VI.Aplicações em todos os sectores

Sendo uma ferramenta de processamento altamente precisa e eficiente, as máquinas de corte a laser são utilizadas em muitos sectores. O artigo apresenta as aplicações das máquinas de corte a laser nas indústrias automóvel, aeroespacial, eletrónica e médica.

Automóvel

máquina de corte a laser
  • Peças de precisão

As máquinas de corte a laser, utilizadas principalmente para o fabrico de peças de precisão na indústria automóvel, podem garantir a eficiência do corte e a qualidade da superfície de componentes precisos. Por exemplo, as pastilhas de travão dos veículos e outros componentes principais exigem um corte de alta precisão para garantir o seu desempenho e segurança.

  • Peças interiores

O processamento de peças interiores também pode ser efectuado por cortadores a laser. As peças de interior implicam normalmente processos de superfície complexos e de alta qualidade, que podem ser satisfeitos pelas máquinas de corte a laser graças à sua flexibilidade e precisão. Além disso, as máquinas de corte a laser podem fornecer serviços de design personalizados para satisfazer as exigências de vários clientes.

Aeroespacial

máquina de corte a laser
  • Componentes da estrutura do avião

No sector aeroespacial, as máquinas de corte a laser podem ser utilizadas para fabricar componentes de fuselagem, que têm elevados requisitos em termos de peso e resistência do produto. As máquinas de corte a laser podem garantir que o desempenho do material não é afetado através do seu corte de alta qualidade e das pequenas zonas afectadas pelo calor.

  • Peças de motor

As peças de motor podem ser produzidas por máquinas de corte a laser. Estes componentes requerem normalmente uma elevada precisão e padrões geométricos complexos. Estes requisitos podem ser satisfeitos por máquinas de corte a laser com elevada precisão e velocidade.

Além disso, alguns materiais, como a liga de titânio e as ligas à base de níquel, que são processados com dificuldade por máquinas, podem ser manuseados por cortadores a laser.

Eletrónica

máquina de corte a laser
  • Placas de circuitos

As máquinas de corte a laser são principalmente utilizadas para o corte de placas de circuitos. Sendo as placas de circuitos os principais componentes da eletrónica, a precisão e a qualidade do seu fabrico determinam diretamente o tempo de vida e o desempenho da eletrónica, pelo que as máquinas de corte a laser permitem um fabrico altamente eficiente das placas de circuitos.

  • Caixas e dissipadores de calor

Embora os dissipadores de calor exijam padrões complexos e processos de superfície de alta qualidade, os cortadores a laser podem satisfazer as exigências graças à sua elevada precisão e flexibilidade. Além disso, as máquinas de corte a laser podem lidar com as estruturas complicadas dos radiadores, melhorando o seu desempenho de dissipação de calor.

Médico

máquina de corte a laser
  • Implantes

As máquinas de corte a laser são utilizadas principalmente para todos os tipos de implantes na indústria médica, tais como implantes de substituição de articulações e implantes dentários. Para além disso, também podem cortar padrões e formas complexas a partir de materiais biocompatíveis para garantir o encaixe preciso dos implantes e a sua boa integração com os pacientes.

  • Instrumentos cirúrgicos

As máquinas de corte a laser podem ser utilizadas para produzir instrumentos cirúrgicos. A qualidade de alta qualidade e a velocidade da máquina de corte a laser podem satisfazer os requisitos dos instrumentos cirúrgicos e garantir o seu desempenho e fiabilidade. Para além disso, os desenhos personalizados podem satisfazer os requisitos de várias cirurgias.

V. Conclusão

O artigo aborda em pormenor os princípios de funcionamento, os componentes básicos, as diferenças entre os três tipos de cortadores a laser e as suas aplicações. Os cortadores a laser, devido à sua elevada precisão, velocidade e qualidade, irão liderar o mercado de fabrico no futuro.

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