UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE RONDONÓPOLIS

PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO INSTITUTO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS E TECNOLÓGICAS

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Rondonópolis-MT 2013

Luiz Gustavo Sousa Vasconcelos

Tiago da Silva Fazolo

USINAGEM LASER E USINAGEM PLASMA

Rondonópolis-MT 2013

Luiz Gustavo Sousa Vasconcelos

Tiago da Silva Fazolo

USINAGEM LASER E USINAGEM PLASMA

Trabalho apresentado como

exigência parcial para obtenção

de nota da disciplina de

Processos Especiais de

Fabricação do Curso de

Engenharia Mecânica na

Universidade Federal de Mato

Grosso.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................ 3

2. USINAGEM LASER ........................................................................ 4

2.1 Definição ..................................................................................... 4

2.2 Tipos de Laser Empregados em Máquinas de Corte .................. 4

2.2.1 Laser Excimer ...................................................................... 4

2.2.2 Laser de Co2 ........................................................................ 5

2.2.3 Laser Nd: YAG ..................................................................... 6

2.2.4 Vantagens e Desvantagens ................................................ 7

2.2.5 Aplicações ............................................................................ 7

3. USINAGEM PLASMA ..................................................................... 9

3.1 Definição de Plasma.................................................................... 9

3.2 Corte a Plasma ............................................................................ 9

3.3 Seleção e Aplicação do Plasma ................................................ 10

4. Conclusão ..................................................................................... 12

5. Bibliografia .................................................................................... 13

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1. INTRODUÇÃO

Muitas vezes, determinados tipos de cortes ou são muito caros com

processos de usinagem convencionais, ou são impossíveis. Uma saída é o corte a

laser que, embora mais custoso, dependendo da quantidade de peças que se quer,

consegue fazer cortes precisos e complexos em curto período de tempo. Outro

processo semelhante é o corte por plasma que consegue cortar metais com

espessuras bem maiores se comparado ao corte a laser, com precisão apenas um

pouco inferior. Por isso será estudado suas aplicações, vantagens, materiais de

trabalho, tipos de máquinas e eficiência.

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2. USINAGEM LASER

2.1 DEFINIÇÃO

A usinagem a laser é uma usinagem do tipo não convencional no qual o

material é fundido ou vaporizado por um feixe estreito de luz monocromática intensa

(laser), que usa elevadas densidades de energia. A usinagem a laser também pode

ser empregada para soldagem e tratamento superficial e nas indústrias é utilizado

em larga escala na fabricação de peças com formas complexas.

2.2 TIPOS DE LASER EMPREGADOS EM MAQUINAS DE

CORTE

Existem inúmeros tipos de lasers atualmente, e com diversas funções. Este

instrumento tem varias aplicações no dia a dia, tais como, na medicina e

odontologia, em impressoras a laser, leitores de CD e códigos de barra e aplicações

industriais (soldagem e usinagem). Na usinagem, restringimos essa variedade de

lasers em três tipos, dois a gás: Excimer, CO2, e um de estado sólido: Nd YAG.

2.2.1 LASER EXCIMER

O Excimer é uma forma de laser ultravioleta. Este tipo de laser utiliza dois

tipos de gases, inerte e reativo. O gás inerte deve ser escolhido de forma que não

reaja com a peça durante o corte. Uma das funções deste gás é a de proteger o

caminho do feixe, já que o tamanho de onda usado é facilmente absorvido pelo ar.

Normalmente é usado argônio, criptônio ou xenônio. O outro gás que é usado é o

reativo, normalmente é usado gás flúor ou cloro.

Com uma devida estimulação elétrica, os gases formam uma pseudo-

molécula (dímero) chamada excimer, que só ocorre na presença de tensão (gerada

por uma fonte elétrica) que pode dar origem ao pulso laser de luz ultravioleta. Este

tipo de laser é considerado um laser frio, ou seja, quase não aquece a peça durante

o processo. Em materiais orgânicos a luz gerada de um excimer é absorvida, de

forma que ao invés de queimar ou remover parte da peça, o laser rompe as ligações

moleculares, desintegrando o material. Desta forma, o laser pode fazer cortes de

extrema finura, com pouquíssima área afetada termicamente (laser frio), deixando o

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resto do material praticamente intacto. Estes fatores fazem com que o laser excimer

tenha ampla utilização em micro-usinagem de precisão, tanto no uso da indústria

como em cirurgias oftalmológicas. Na micro-usinagem de precisão, os cortes são

feitos principalmente em polímeros e materiais cerâmicos.

2.2.2 LASER DE CO2

O laser de CO2 é o mais usado nos processos de usinagem por proporcionar

elevados níveis de energia. Nesta maquina, o gás CO2 é soprado para um duto onde

existem dois eletrodos ligados a uma fonte de alta tensão. Estes formam um campo

elétrico, que aumenta a energia do gás. Quando o gás esta energizado, os elétrons

dos átomos formadores do CO2 sobem um nível de orbital. Quando este elétron volta

para sua orbita inicial, ele gera energia em forma de luz. Este processo ocorre com

vários átomos ao mesmo tempo e cada onda emitida estimula a emissão continua.

Esta luz é amplificada por meio de lentes e espelhos até o cabeçote do instrumento.

No cabeçote a luz é concentrada a partir de lentes em um único ponto. Este ponto

pode variar de 0,25mm até 0,005mm. Após esta concentração da luz, este feixe é

conduzido através de espelhos para a lente de focalização, ultimo estagio antes de

chegar á peça.

O laser de CO2 corta a peça vaporizando uma pequena porção de material.

Isto é possível, pois a maquina pode gerar cerca de 3KW por centímetro quadrado.

O instrumento ainda utiliza outros gases como o oxigênio, nitrogênio e o Hélio para

produzir tal potência. Antes de entrar na máquina, estes gases são misturados em

certa porcentagem, 10 a 20% de CO2, 10 a 20% de nitrogênio e o restante de Hélio.

O gás Hélio é usado para dissipar o calor gerado pelo campo elétrico. O

oxigênio ou o nitrogênio pode servir de gás de assistência. Este gás serve para

remover sujeiras óxidos e principalmente o material removido da peça pelo feixe. O

gás de assistência mais recomendado é o oxigênio, por prever uma maior

velocidade de corte em função de gerar uma reação exotérmica, aumentando a

temperatura do processo. O nitrogênio substitui o oxigênio quando este for mais

barato, mas principalmente quando se quer uma superfície livre de óxidos. O CO2

pode durar cerca de 8 meses sem ser reposto, mas por volta de 60 dias, a máquina

só consegue trabalhar com 50% do rendimento em equipamentos de 25 a 50 MJ.

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2.2.3 LASER ND: YAG

Nd: YAG é um laser de cristal como antes descrito, de estado sólido. Nd: YAG

significa: O neodímio triplamente ionizado serve de dopante, este substitui o ítrio na

estrutura do YAG, pois tem um tamanho parecido. A primeira demonstração do laser

Nd: YAG foi feita na Bell Laboratories em 1964 por Geusicetal. Diferente dos outros

lasers, a energia não é passada por meio de eletrodos, e sim por flashlamps ou

diodos de laser.

A lâmpada de flash e o meio ativo (Nd: YAG) ficam em focos de cilindros

elípticos espelhados. Assim a energia da lâmpada é aproveitada ao máximo. O laser

trabalha normalmente em impulsos, mas também pode trabalhar em modo continuo.

A potência media de impulso é de 1KW.

Tal como nos outros lasers, o feixe pode ser desviado por meio de espelhos e

lentes. O comprimento de onda é curto, 1,06µm em infravermelho, portanto na

transmissão do feixe podem ser utilizadas fibras ópticas. Mas também há transições

de 940, 1120, 1320 e 1440 nm. O laser Nd: YAG não precisa de gás para funcionar,

porem pode ser usados gases para proteção do feixe. Este tipo de laser tem varias

aplicações na usinagem, entre elas, corte, furação de precisão e gravações. A figura

a seguir mostra o principio de funcionamento do laser especificado.

FIGURA 1 - ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DO LASER ND:YAG

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2.2.4 VANTAGENS E DESVANTAGENS

No processo de corte a laser, não há interação direta com homem e maquina,

ou seja, o bocal por onde sai o feixe laser se move a partir do código g, gerado pelo

operador da maquina (CNC). Isso caracteriza duas vantagens: a segurança, ou seja,

não há risco de um operador se acidentar, e a precisão, devida a não estar sujeita a

erros humanos, e sim apenas as tolerâncias da maquina. Devido à velocidade bem

regulada, temperatura controlada e característica do laser, o acabamento final é

muito bom. A máquina a laser propicia alta velocidade de corte, corte de figuras

geométricas 2D ou 3D. Porem como todas as máquinas, ela também possui

desvantagens. A espessura do material a ser cortado deve ser exata, tratando-se de

maquinas 2D de corte. O custo inicial do equipamento é extremamente elevado,

fazendo se necessário um levantamento de custo beneficio muito bem feito, para

saber se vale a pena o uso da máquina. Ha certa dificuldade de corte de materiais

que refletem muito a luz, como o alumínio e o cobre, não permitindo o corte de

peças muito espessas.

No geral, o corte a laser se torna cada vez mais utilizado na indústria. Embora

o custo das máquinas seja ainda muito elevado, a utilização das mesmas para

grande escala acaba se tornando uma ótima opção, compensando sua compra.

Gradualmente se obtém máquinas mais potentes e tecnológicas, com um custo/

beneficio excelente.

2.2.5 APLICAÇÕES

O corte a laser é utilizada em praticamente toda a indústria metal mecânica.

Abaixo estão alguns dos principais exemplos de indústrias e produtos:

>Automobilística (Montadoras e Autopeças)

>Eletroeletrônicos (Linha Branca e Marrom);

>Transportes (Rodoviário, Ferroviário, Metroviário, Marítimo, Aéreo).

>Implementos Agrícolas

>Vidro e Materiais Não-Metálicos

Em muitos casos a produção de uma peça com certas características tem um

custo muito menor do que se forem produzidas pelo processo de corte a laser. Um

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bom exemplo que podemos tomar é a produção de uma arruela. Muitas arruelas são

produzidas por outros diversos processos de usinagem, mas, se tivermos uma

chapa no mercado com a espessura final desejada da arruela, somente precisamos

cortar essa arruela com as dimensões que desejamos. Pelo processo de corte a

laser isto se torna bastante viável e, na indústria vemos que peças mais simples tem

um custo minimizado quando produzidas por corte a laser.

A aplicação do processo é utilizada em grande escala na produção de chapas

para as indústrias automobilísticas, transportes, agrícolas e implementos. Não é

comumente utilizada para oficinas de protótipos ou ferramentaria de grandes

empresas, pois não é a máquina de menor custo e máquinas como tornos

mecânicos e fresas levam vantagens nesses casos.

O uso de máquinas de corte a laser é recomendado quando as peças

apresentarem formas complicadas e for exigido um acabamento de superfície

praticamente livre de rebarbas na região de corte. É possível produzir rapidamente

lotes pequenos e diversificados.

O oxigênio produz melhor resultado de corte em aço de baixo carbono,

enquanto o nitrogênio é usado principalmente em aço inoxidável e alumínio. O

oxigênio de alta pureza (99,9% - 99,95%) pode ser utilizado para aumentar a

velocidade de corte no aço de baixo carbono.

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3. USINAGEM PLASMA

3.1 DEFINIÇÃO DE PLASMA

O plasma é conhecido como o “4° estado da matéria”, pois é um gás ionizado

com altas temperaturas. Mais precisamente o plasma é uma coleção de partículas

carregadas contendo quase a mesma quantidade de elétrons e íons positivos, e,

embora apresente quase todas as características dos seus gases formadores, se

difere deles por ser um bom condutor de eletricidade. Um bom exemplo de plasma

na natureza é o raio.

FIGURA 2 - REPRESENTAÇÃO DO ESTADO FÍSICO DO PLASMA

3.2 CORTE A PLASMA

O corte a plasma é um processo especial de usinagem que utiliza um bico

com orifício otimizado para constringir um gás ionizado em altíssima temperatura, tal

que possa ser usado para derreter seções de metais. O plasma é usado para

transferir energia negativa fornecida pela fonte plasma da tocha para o material a ser

cortado (obra).

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FIGURA 3 - REPRESENTAÇÃO DO ESQUEMA DE CORTE POR PLASMA

3.3 SELEÇÃO E APLICAÇÃO DO PLASMA

O corte a plasma pode ser utilizado na maioria dos metais comerciais e pode

feito manualmente por um operador, ou pode ser feito de forma mecanizada, onde

um sistema automático manipula a tocha de plasma.

FIGURA 4 - CORTE A PLASMA MANUAL E MECANIZADO

Porém, para cada tipo de material a ser cortado, temos de selecionar os

gases de plasma e de proteção adequados como visto nas figuras abaixo:

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FIGURA 5 - SELEÇÃO DO GÁS DE PLASMA

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FIGURA 6 - SELEÇÃO DO GÁS DE PROTEÇÃO

FIGURA 7 - RECOMENDAÇÃO DOS GASES DE PLASMA E PROTEÇÃO

4. CONCLUSÃO

Considerando os estudos sobre corte a laser e corte a plasma nota-se que

ambos são essenciais hoje na indústria devido às suas aplicações, pois podem

manufaturar peças das mais complexas formas sem deformá-las, portanto sem

perder a precisão, e também tem bom rendimento, pois as máquinas tem

capacidade de produzir muitas peças em pouco tempo. Desse modo, quando se tem

uma produção alta de certo material, o custo/benefício desses processos deve ser

analisado, pois os benefícios são muito relevantes.

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5. BIBLIOGRAFIA

(s.d.). Acesso em 25 de 01 de 2013, disponível em Usinagem à laser:

http://mechanicalhandbook.blogspot.com.br/2011/02/usinagem-laser.html

Apostila- Usinagem a Laser. (s.d.). Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil.

Lima, E. G. (s.d.). Corte a Plasma. ABS .

Souza, P. A. (2011). Apostila- Processos de Fabricação por Usinagem. Porto

Alegre.

Stoeterau, P. D. (s.d.). Usinagem com ferramentas de geometria não definida.