Máquina de corte a laser: Um guia para iniciantes

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

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

1. Lasers YAG (granada de ítrio e alumínio): 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 por muitos anos devido à sua maior eficiência e capacidade de corte.
3. Lasers de fibra: A tecnologia de ponta atual, que oferece qualidade superior de feixe, eficiência energética e benefícios de manutenção.

Este artigo se concentra em dois tipos predominantes de máquinas de corte a laser CNC usadas na fabricação moderna:

1. Máquinas de corte a laser de controle numérico de CO2: Esses sistemas utilizam uma mistura de gases (principalmente CO2) para gerar o feixe de laser. Eles são excelentes para cortar materiais não metálicos e chapas de metal mais espessas.
2. Máquinas de corte a laser de fibra: Empregando tecnologia de laser de fibra de estado sólido, esses sistemas de ponta oferecem desempenho excepcional no corte de espessuras finas a médias metais com velocidade e precisão notáveis.

Corte a laser

O corte a laser é uma tecnologia de corte térmico de última geração amplamente adotada no processamento moderno de materiais. Ela utiliza um feixe de laser de alta densidade de energia como uma "ferramenta de corte" precisa para cortar materiais com precisão inigualável.

Quando o feixe de laser de alta densidade e potência irradia a peça de trabalho, ele aquece rapidamente o material visado até o ponto de ignição ou faz com que ele derreta e sofra ablação. Simultaneamente, um fluxo de gás de alta velocidade, coaxial com o feixe de laser, expulsa o material fundido da zona de corte, concluindo o processo de corte.

As máquinas de corte a laser CNC oferecem inúmeras vantagens, incluindo fabricação precisa, processamento de formas complexas, caminhos de corte flexíveis, formação de passagem única, operação em alta velocidade e eficiência excepcional. Esses recursos revolucionaram a produção industrial, resolvendo muitos desafios que os métodos de corte convencionais não conseguiam enfrentar.

A versatilidade do corte a laser permite que ele processe uma ampla variedade de metais e materiais não metálicos. Suas aplicações abrangem vários setores:

1. Fabricação de produtos elétricos: Fabricação de chapas metálicas para armários de distribuição
2. Máquinas de transporte: Fabricação de veículos e equipamentos de manuseio de materiais
3. Petroquímico: Corte de tubos de tela de óleo
4. Automotivo: Corte complexo de painéis de carroceria, incluindo aplicações 2D e 3D
5. Máquinas de construção: Processamento de componentes estruturais
6. Dispositivos médicos: Corte de precisão que atende aos rigorosos requisitos de segurança e acabamento de superfície
7. Decoração: Corte personalizado para elementos arquitetônicos e sinalização
8. Embalagem: Produção de caixas de diversos formatos e tamanhos

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

Hardware:

• Estrutura rígida de leito e viga
• Mesa de trabalho de precisão
• Fonte de laser de alta potência
• Cabeça de corte avançada
• Estabilizador de tensão
• Sistema de resfriamento eficiente
• Gabinete de controle elétrico
• Sistema de fornecimento de gás (oxigênio, nitrogênio, ar)

Sistemas integrados:

• Sistema de controle elétrico
• Sistema de acionamento mecânico
• Sistema de fornecimento de gás
• Sistema óptico de precisão
• Sistema hidráulico (quando aplicável)
• Sistema de lubrificação
• Sistema de resfriamento

Essa integração de sistemas mecânicos, ópticos, elétricos, pneumáticos e fluídicos resulta em um equipamento de automação altamente sofisticado.

O processo de fabricação das máquinas de corte a laser envolve várias técnicas de metalurgia, incluindo dobragem de precisão, processos avançados de soldagem, usinagem de alta precisão e montagem meticulosa.

Para a transmissão de energia mecânica, essas máquinas empregam principalmente sistemas de engrenagens e cremalheiras, muitas vezes complementados por parafusos de avanço e correias síncronas. A preferência pela transmissão por cremalheira se deve à sua precisão instantânea, alta capacidade de carga e eficiência superior, cruciais para manter a precisão do corte em condições dinâmicas.

Máquina de corte a laser CNC CO2

O CO₂ A máquina de corte a laser CNC desenvolvida e fabricada por nossa empresa está 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 acionada por roda dentada para aumentar a produtividade.

A máquina emprega uma estrutura de suspensão de pórtico, com o sistema de transmissão acionado por parafusos de esferas de alto chumbo para controle preciso do movimento. A viga executa o movimento do eixo Y ao longo de trilhos fixos, enquanto o conjunto do cabeçote de corte executa o movimento do eixo X ao longo da viga. O próprio cabeçote de corte é capaz de realizar movimentos verticais (eixo Z) em relação à peça de trabalho, permitindo o ajuste preciso do foco e o corte de várias espessuras de material.

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

O meio do laser consiste em uma mistura cuidadosamente equilibrada de dióxido de carbono, nitrogênio e gases de hélio, contida em uma cavidade ressonante. A geração do laser é iniciada com a aplicação de uma alta tensão de aproximadamente 40.000 volts para excitar a mistura de gases. O feixe de laser é amplificado à medida que circula entre o espelho traseiro, 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, inclusive a capacidade de cortar aço inoxidável com qualidade de borda excepcionalmente suave e a versatilidade para processar materiais não metálicos, como acrílico e vidro orgânico. No entanto, elas têm limitações, incluindo eficiência de conversão fotoelétrica relativamente baixa (normalmente 8-12%), alto consumo de energia e custos substanciais de manutenção. A óptica é particularmente suscetível à contaminação por partículas de poeira no gás de assistência, o que pode causar marcas de queimadura nas lentes e exigir substituições caras.

Como a tecnologia de laser de fibra continua a avançar, oferecendo maior eficiência, custos operacionais mais baixos e requisitos de manutenção reduzidos, o CO₂ Os lasers estão sendo gradualmente eliminados em muitas aplicações industriais. No entanto, eles continuam sendo relevantes para materiais e processos específicos em que suas características exclusivas proporcionam resultados superiores.

Máquina de corte a laser de fibra

A máquina de corte a laser de fibra desenvolvida e produzida por nossa empresa apresenta uma estrutura de pórtico, conforme ilustrado na Fig. 2. Esse 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 energia, oferecendo um posicionamento robusto e preciso. A viga transversal se desloca ao longo do eixo X na base, enquanto o assento deslizante se move ao longo do eixo Y na viga transversal. Esse movimento de eixo duplo permite o posicionamento plano preciso do cabeçote de corte.

Montado na placa deslizante do assento deslizante, o cabeçote de corte executa o movimento do eixo Z por meio de um parafuso de avanço ou módulo linear. Essa configuração de três eixos permite que a máquina execute padrões de corte complexos com alta precisão.

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

Fig. 3 Desenho esquemático da máquina de corte a laser

A Fig. 4 demonstra o princípio de emissão de luz do laser de fibra. O sistema de laser é modular, com cada módulo representando uma unidade de potência discreta. A potência total de saída é obtida pela combinação desses módulos, o que permite escalabilidade e manutenção mais fácil.

Em cada módulo, as fontes de bomba geram luz que é canalizada por um acoplador para o meio de laser de fibra. Esse design permite a transferência eficiente de energia e a geração de laser. O uso 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 óptica

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

1. Alta eficiência de conversão fotoelétrica do 25%, resultando em 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 a laser tradicionais

No entanto, é importante observar que quando corte de aço inoxidávelPor isso, a seção de corte pode parecer mais áspera em comparação com as máquinas de corte a laser de CO2. Além disso, o conjunto do cabeçote de corte requer uma vedação rigorosa para manter o desempenho ideal e a longevidade.

Para atenuar esses desafios, refinamos continuamente nossos parâmetros de corte e implementamos técnicas avançadas de controle de feixe para melhorar a qualidade do corte em vários materiais.

Conclusão

A tecnologia laser passou por avanços significativos, mas o setor ainda enfrenta vários desafios técnicos. Espera-se que os desenvolvimentos futuros se concentrem em quatro áreas principais:

1. Máquinas-ferramenta de alta velocidade e alta precisão: À medida que a potência do laser aumenta, permitindo velocidades de corte de até 80 m/min, a manutenção da alta precisão nessas velocidades torna-se crucial. Os fabricantes de máquinas-ferramenta estão priorizando o desenvolvimento de projetos estruturais aprimorados e sistemas de controle avançados para superar as limitações impostas pelas restrições atuais de precisão e rigidez.
2. Estruturas de cabeçote de corte resistentes à alta potência: Com a tendência de lasers de alta potência, projetos inovadores de cabeçotes de corte capazes de suportar cargas térmicas maiores e manter a qualidade ideal do feixe são essenciais para maximizar o desempenho e a longevidade do corte.
3. Tecnologia avançada de perfuração: São necessários aprimoramentos nas técnicas de perfuração para reduzir os tempos de ciclo, minimizar o desperdício de material e permitir o processamento eficiente de materiais mais espessos, especialmente em ligas e compostos de alta resistência.
4. Sistemas de automação inteligentes: A integração de sistemas inteligentes de carregamento, descarregamento, classificação e empilhamento aumentará significativamente a produtividade geral e a eficiência do manuseio de materiais. Esses sistemas provavelmente incorporarão algoritmos de aprendizado de máquina para otimização adaptativa de processos e manutenção preditiva.

A sinergia entre esses avanços impulsionará a próxima geração de sistemas de corte a laser, oferecendo velocidade, precisão e versatilidade aprimoradas em uma variedade maior de materiais e aplicações. À medida que o setor continua a evoluir, a colaboração entre os fabricantes de máquinas-ferramenta, os desenvolvedores de fontes de laser e os usuários finais será fundamental para enfrentar esses desafios e ampliar os limites da tecnologia de corte a laser.