Usinagem A Laser

USINAGEM A LASER

1. DEFINIÇÃO

O laser, do inglês “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, é um feixe de luz de alta potência com determinadas particularidades: ela é monocromática (possui comprimento de onda bem definido), coerente (todas as ondas dos fótons que compõem o feixe estão em fase) e, colimada (propaga-se como um feixe de ondas praticamente paralelas). O feixe é focalizado e posicionado precisamente com velocidade de varredura controlada. O meio em que a emissão ocorre pode ser sólido ou gasoso. Comumente se utiliza o rubi como meio sólido e o CO_2 como meio gasoso.

2. HISTÓRICO

O principio de funcionamento do laser foi previsto por Einstein, em 1916, com o uso da lei de Planck. Sua teoria sobre a emissão de luz analisava as relações entre a quantidade de energia liberada por processos atômicos. Assim, Einstein discorreu sobre a interação de átomos, ions e moléculas com a radiação eletromagnética em termos de absorção e emissão espontânea de radiação, concluindo que deveria existir a emissão estimulada, na qual a radiação eletromagética deveria ser produzida por um processo atômico.

Figura 1: Representação esquemática do primeiro Laser de rubi.

Em 1953, cientistas americanos desenvolveram o laser, que consistia na liberação de microondas. Aprimorando esses princípios, mais tarde, dois russos, Nikolai Basov e Aleksander Prokhorov descobriram como emitir o raio em uma freqüência visível, surgindo assim o laser, e dando abertura para inúmeras aplicações, sendo uma delas a usinagem a laser.

3. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O laser funciona a partir da excitação do átomo por uma fonte externa de energia. É utilizada uma fonte de energia, no caso, um diodo de laser para meio solido, ou um anodo e um catodo para meio gasoso. A fonte de energia excita o meio, fazendo com que cada vez que um elétron volte para o nível anterior, emita um fóton de luz. Esses fótons emitidos, oscilam de um espelho 100 % refletivo de um lado para outro 99 % refletivo e 1 % translúcido. Dessa forma, os fótons são direcionados pelo espelho semirefletivo, liberando assim o feixe laser, que por sua vez é colimado, ou seja, concentrado.

Figura 2: Esquema do princípio de funcionamento de um Laser.

Na usinagem a laser, uma fonte de radiação laser concentra energia luminosa na superfície da peça. A energia altamente concentrada funde pequenas regiões do material do modo controlado. Tal processo não necessita de vácuo e é utilizado pra usinar vários tipos de mateirais metálicos ou não.

A superfície resultante normalmente é rugosa e apresenta uma zona termicamente afetada, que em aplicações críticas deve ser removida ou tratada termicamente.

O feixe de laser pode ser utilizado de forma combinada com um fluxo de gás (oxigênio, nitrogênio ou argônio, por exemplo), para o corte de chapas finas. Essa variação do processo é utilizada na usinagem de aço inox e alumínio, deixando a região cortada livre de óxidos, o que facilita a soldagem posterior. Os fluxos de gás também auxiliam na retirada de material fundido e vaporizado da superfície.

Figura 3: Cortadora a Laser convencional.

4. PROCESSOS DE USINAGEM CONVENCIONAIS

Os processos de usinagem convencionais removem material por formação de cavaco, abrasão ou microusinagem. Existem situações onde estes processos não são adequados, econômicos ou viáveis, pelas seguintes razões:

Dureza e resistência do material elevadas (acima de 400 HB) ou o material é muito frágil;

A peça é muito flexível ou delicada para resistir às forças de usinagem, ou as peças são de difícil fixação.

A forma da peça é complexa, incluindo características externas e internas ou furos de pequeno diâmetro em bicos injetores de combustível.

Requisitos de acabamento superficial e tolerância dimensional são mais rigorosos;

Aquecimento e tensões residuais na peça não são desejados ou permitidos.

Estas necessidades levaram ao desenvolvimento de outros métodos de remoção de material baseados em processos químicos, elétricos, a laser, entre outros. Estes métodos avançados, que no passado foram chamados de não tradicionais ou não convencionais, são descritos na tabela. Quando selecionados e aplicados de modo apropriado, os processos de usinagem avançados oferecem mais vantagens técnicas e econômicas que os processos tradicionais.

Processo Características Parâmetros de

Processo e taxas de

remoção de material

ou velocidades de

corte típicas

Usinagem Química (CM) Cavidades rasas (até 12 mm) em superfícies planas

ou curvadas; corte de chapas finas, baixo custo de

ferramentas e equipamentos; adequado para lotes

pequenos 0,0025 a 0,1

mm/min

Usinagem

Eletroquímica (ECM) Formas complexas com cavidades profundas; a

maior taxa de remoção de material entre os processos

não tradicionais; equipamentos e ferramentas caras;

alto consumo de energia; lotes médios e grandes. V: 5 a 25 DC; A:

1,5 a 8 A/mm2; 2,5 a

12 mm/min

(dependendo da densidade da corrente)

Retificação

Eletroquímica (ECG) Corte e afiação de materiais duros, tais como

ferramentas de carboneto de tungstênio; taxa de

remoção de material maior que a da retificação. A: 1 a 3 A/mm2;

25 mm3/s

Eletroerosão (EDM) Conformação e corte de peças complexas feitas de materiais duros, podem provocar danos na superfície, também utilizada como retificação e