Máquina de corte a laser: Guia para principiantes

As máquinas de corte a laser CNC são ferramentas de fabrico avançadas que utilizam a tecnologia laser como um mecanismo de corte preciso para o processamento de peças de trabalho. Estas máquinas revolucionaram o fabrico de metais, oferecendo uma precisão, velocidade e versatilidade sem paralelo nas operações de corte.

A evolução da tecnologia de corte a laser está intrinsecamente ligada aos avanços na ciência e engenharia do laser. Ao longo das décadas, a indústria assistiu a um progresso significativo através de três gerações distintas de lasers:

1. Lasers YAG (Yttrium Aluminum Garnet): Os lasers de estado sólido de primeira geração que foram pioneiros na indústria corte a laser.
2. Lasers de CO2 (dióxido de carbono): Lasers de gás de segunda geração que dominaram o mercado durante muitos anos devido à sua maior eficiência e capacidade de corte.
3. Lasers de fibra: A atual tecnologia de ponta, que oferece uma qualidade de feixe superior, eficiência energética e benefícios de manutenção.

Este artigo centra-se em dois tipos predominantes de máquinas de corte a laser CNC utilizadas no fabrico moderno:

1. Máquinas de corte a laser de controlo numérico CO2: Estes sistemas utilizam uma mistura de gases (principalmente CO2) para gerar o feixe laser. São excelentes para cortar materiais não metálicos e chapas metálicas mais espessas.
2. Máquinas de corte a laser de fibra: Empregando a tecnologia laser de fibra de estado sólido, estes sistemas de vanguarda oferecem um desempenho excecional no corte de materiais de espessura fina a média metais com uma rapidez e precisão notáveis.

Corte a laser

O corte a laser é uma tecnologia de corte térmico de última geração amplamente adoptada no processamento moderno de materiais. Utiliza um feixe de laser de alta densidade energética como "ferramenta de corte" precisa para cortar materiais com uma precisão sem paralelo.

Quando o feixe de laser de alta densidade de potência irradia a peça de trabalho, aquece rapidamente o material alvo até ao ponto de ignição ou provoca a sua fusão e ablação. Simultaneamente, um fluxo de gás de alta velocidade, coaxial com o feixe de laser, expulsa o material fundido da zona de corte, completando o processo de corte.

As máquinas de corte a laser CNC oferecem inúmeras vantagens, incluindo fabrico de precisão, processamento de formas complexas, percursos de corte flexíveis, formação de passagem única, funcionamento a alta velocidade e eficiência excecional. Estas capacidades revolucionaram a produção industrial, resolvendo muitos desafios que os métodos de corte convencionais não conseguiam resolver.

A versatilidade do corte a laser permite-lhe processar uma vasta gama de metais e materiais não metálicos. As suas aplicações abrangem vários sectores:

1. Fabrico de material elétrico: Fabrico de chapas metálicas para armários de distribuição
2. Máquinas de transporte: Fabrico de veículos e de equipamento de movimentação de materiais
3. Petroquímica: Corte de tubos de proteção de óleo
4. Sector automóvel: Corte complexo de painéis de carroçaria, incluindo aplicações 2D e 3D
5. Máquinas de construção: Processamento de componentes estruturais
6. Dispositivos médicos: Corte de precisão que cumpre os rigorosos requisitos de segurança e acabamento de superfície
7. Decoração: Corte personalizado para elementos arquitectónicos e sinalização
8. Embalagem: Produção de caixas de diversas formas e tamanhos

Um típico máquina de corte a laser inclui vários componentes-chave:

Hardware:

• Estrutura rígida de cama e viga
• Mesa de trabalho de precisão
• Fonte de laser de alta potência
• Cabeça de corte avançada
• Estabilizador de tensão
• Sistema de arrefecimento eficiente
• Armário de comando elétrico
• Sistema de fornecimento de gás (oxigénio, azoto, ar)

Sistemas integrados:

• Sistema de controlo elétrico
• Sistema de acionamento mecânico
• Sistema de distribuição de gás
• Sistema ótico de precisão
• Sistema hidráulico (se aplicável)
• Sistema de lubrificação
• Sistema de arrefecimento

Esta integração de sistemas mecânicos, ópticos, eléctricos, pneumáticos e fluídicos resulta num equipamento de automação altamente sofisticado.

O processo de fabrico das máquinas de corte a laser envolve várias técnicas metalúrgicas, incluindo dobragem de precisão, processos de soldadura avançados, maquinagem de alta precisão e montagem meticulosa.

Para a transmissão mecânica de potência, estas máquinas utilizam principalmente sistemas de engrenagens e cremalheiras, frequentemente complementados por parafusos de avanço e correias síncronas. A preferência pela transmissão por cremalheira deve-se à sua precisão instantânea, à sua elevada capacidade de carga e ao seu rendimento superior, indispensáveis para manter a precisão de corte em condições dinâmicas.

Máquina de corte a laser CO2 CNC

As emissões de CO₂ A máquina de corte a laser CNC desenvolvida e fabricada pela nossa empresa é ilustrada na Fig. 1.

A máquina-ferramenta é composta por um sistema mecânico que facilita o movimento ao longo dos eixos X, Y e Z, e uma bancada de trabalho para posicionar as peças a serem processadas. As configurações comuns incluem uma bancada de trabalho de placa dentada de mesa única e uma bancada de trabalho de troca accionada por roda dentada para maior produtividade.

A máquina utiliza uma estrutura de suspensão em pórtico, com o sistema de transmissão alimentado por parafusos de esferas de alto avanço para um controlo preciso do movimento. A viga executa o movimento do eixo Y ao longo de carris fixos, enquanto o conjunto da cabeça de corte executa o movimento do eixo X ao longo da viga. A própria cabeça de corte é capaz de efetuar movimentos verticais (eixo Z) em relação à peça de trabalho, permitindo um ajuste preciso do foco e o corte de várias espessuras de material.

No coração da máquina de corte a laser está a máquina de corte de CO₂ que gera o feixe de alta potência essencial para o processo de corte. O princípio de emissão do laser de CO₂ laser está representado na Fig. 2.

O meio do laser consiste numa mistura cuidadosamente equilibrada de dióxido de carbono, azoto e hélio, contida numa cavidade ressonante. A geração do laser é iniciada pela aplicação de uma alta tensão de aproximadamente 40.000 volts para excitar a mistura de gases. O feixe laser é amplificado à medida que circula entre o espelho posterior, o refrator e o espelho frontal parcialmente transmissivo, a partir do qual o feixe coerente é finalmente emitido.

CO₂ As máquinas de corte a laser CNC oferecem várias vantagens, incluindo a capacidade de cortar aço inoxidável com uma qualidade de arestas excecionalmente suave e a versatilidade para processar materiais não metálicos, como o acrílico e o vidro orgânico. No entanto, têm limitações, incluindo uma eficiência de conversão fotoeléctrica relativamente baixa (tipicamente 8-12%), um elevado consumo de energia e custos de manutenção substanciais. O sistema ótico é particularmente suscetível à contaminação por partículas de poeira no gás de assistência, o que pode provocar marcas de queimadura nas lentes e exigir substituições dispendiosas.

À medida que a tecnologia de laser de fibra continua a avançar, oferecendo uma maior eficiência, custos de funcionamento mais baixos e requisitos de manutenção reduzidos, o CO₂ Os lasers estão a ser gradualmente eliminados em muitas aplicações industriais. No entanto, continuam a ser relevantes para materiais e processos específicos em que as suas características únicas proporcionam resultados superiores.

Máquina de corte a laser de fibra

A máquina de corte a laser de fibra desenvolvida e produzida pela nossa empresa apresenta uma estrutura de pórtico, como ilustrado na Fig. 2. Este design garante estabilidade e precisão durante as operações de corte.

O sistema de movimento da máquina utiliza um mecanismo de engrenagem e cremalheira para a transmissão de potência, oferecendo um posicionamento robusto e preciso. A viga transversal desloca-se ao longo do eixo X na base, enquanto o assento deslizante se desloca ao longo do eixo Y na viga transversal. Este movimento de eixo duplo permite um posicionamento plano preciso da cabeça de corte.

Montada na placa deslizante do assento deslizante, a cabeça de corte efectua o movimento do eixo Z através de um parafuso de avanço ou de um módulo linear. Esta configuração de três eixos permite que a máquina execute padrões de corte complexos com elevada precisão.

Fig. 2 Diagrama esquemático da emissão princípio do laser de CO2

Fig. 3 Esquema da máquina de corte a laser

A Fig. 4 demonstra o princípio de emissão de luz do laser de fibra. O sistema laser é modular, sendo que cada módulo representa uma unidade de potência discreta. A potência total de saída é obtida através da combinação destes módulos, permitindo a escalabilidade e uma manutenção mais fácil.

Em cada módulo, as fontes de bomba geram luz que é canalizada através de um acoplador para o meio de laser de fibra. Esta conceção permite uma transferência de energia e geração de laser eficientes. A utilização de elementos de terras raras como meio de ganho contribui para a eficiência e o desempenho do sistema.

Fig. 4 Diagrama esquemático do princípio de emissão do laser de fibra ótica

As principais vantagens da nossa máquina de corte a laser de fibra incluem:

1. Elevada eficiência de conversão fotoeléctrica do 25%, resultando num menor consumo de energia
2. Utilização de elementos de terras raras como meio de ganho, melhorando o desempenho do laser
3. Custos de equipamento mais baixos em comparação com os sistemas laser tradicionais

No entanto, é importante notar que quando corte de aço inoxidávelPor isso, a secção de corte pode parecer mais áspera em comparação com as máquinas de corte a laser CO2. Além disso, o conjunto da cabeça de corte requer uma vedação rigorosa para manter um desempenho e uma longevidade óptimos.

Para atenuar estes desafios, aperfeiçoamos continuamente os nossos parâmetros de corte e implementamos técnicas avançadas de controlo de feixe para melhorar a qualidade de corte em vários materiais.

Conclusão

A tecnologia laser registou avanços significativos, mas o sector continua a enfrentar vários desafios técnicos. Prevê-se que os futuros desenvolvimentos se centrem em quatro áreas-chave:

1. Máquinas-ferramentas de alta velocidade e alta precisão: À medida que a potência do laser aumenta, permitindo velocidades de corte até 80 m/min, torna-se crucial manter uma elevada precisão a estas velocidades. Os fabricantes de máquinas-ferramenta estão a dar prioridade ao desenvolvimento de designs estruturais melhorados e de sistemas de controlo avançados para ultrapassar as limitações impostas pelas actuais restrições de precisão e rigidez.
2. Estruturas de cabeça de corte resistentes a altas potências: Com a tendência para lasers de maior potência, os designs inovadores das cabeças de corte capazes de suportar cargas térmicas acrescidas e manter uma qualidade de feixe óptima são essenciais para maximizar o desempenho de corte e a longevidade.
3. Tecnologia avançada de perfuração: São necessárias melhorias nas técnicas de perfuração para reduzir os tempos de ciclo, minimizar o desperdício de material e permitir o processamento eficiente de materiais mais espessos, particularmente em ligas e compósitos de alta resistência.
4. Sistemas de automatização inteligentes: A integração de sistemas inteligentes de carga, descarga, triagem e empilhamento aumentará significativamente a produtividade geral e a eficiência do manuseamento de materiais. Estes sistemas irão provavelmente incorporar algoritmos de aprendizagem automática para otimização adaptativa de processos e manutenção preditiva.

A sinergia entre estes avanços irá impulsionar a próxima geração de sistemas de corte a laser, oferecendo maior velocidade, precisão e versatilidade numa gama mais vasta de materiais e aplicações. À medida que a indústria continua a evoluir, a colaboração entre os fabricantes de máquinas-ferramentas, os criadores de fontes de laser e os utilizadores finais será crucial para enfrentar estes desafios e ultrapassar os limites da tecnologia de corte a laser.