PROCESSOS NÃO CONVENCIONAIS DE USINAGEM

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PROCESSOS NÃO CONVENCIONAIS DE USINAGEM

- Usinagem a Laser - Usinagem a Plasma

Prof. Almir Turazi, Dr.Eng. 2017/2

TECNOLOGIA EM FABRICAÇÃO MECÂNICA Módulo 5

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USINAGEM A LASER

Aplicação:

Na indústria, a tecnologia LASER é usada na soldagem, no tratamento térmico, na marcação e no corte de metais.

Significado de LASER:

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

ou

Amplificação da Luz por Emissão Estimulada da Radiação.

USINAGEM A LASER

LASER

“Sistema que produz um feixe de luz concentrado, obtido por excitação dos elétrons de determinados átomos, utilizando um veículo ativo que pode ser um sólido (o rubi) ou um líquido (o dióxido de carbono sob pressão).”

Este feixe de luz produz intensa energia na forma de calor.

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DESCOBERTA DO LASER

1917- Albert Einstein: estudo da emissão espontânea e estimulada;

1960- Theodore Maiman: construção do primeiro LASER

“LASER de estado sólido de rubi, excitado por uma lâmpada fluorescente de vapor de mercúrio”

DESCOBERTA DO LASER

1960- Javan, Benett e Harriot: primeiro LASER de estado gasoso (He-Ne)

Anos 60- Patel: laser de CO2

Atualmente existem inúmeros tipos de fontes de lasers:

estado sólido, gasoso ou líquido.

Comparativamente, o uso do laser se assemelha ao que acontece quando focalizamos raios de sol através de uma lente.

Isto provoca uma fonte concentrada de energia, na forma de calor.

FORMAÇÃO DO LASER

Efeito e Aplicação

A incidência de um feixe de laser sobre um ponto da peça é capaz de fundir e vaporizar o material em volta desse ponto.

Desse modo, é possível furar e cortar praticamente qualquer material,independentemente de sua resistência mecânica.

O grande inconveniente do laser é que se trata de um processo térmico e, portanto, afeta a estrutura do material na região de corte(ZAC).

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Características do LASER

- Monocromático: luz possui comprimento de onda único - Muito colimado: raios de luz no feixe são quase que perfeitamente paralelos.

Como é gerado o laser

1) Os elétrons dos átomos de carbono e oxigênio, que compõem o CO2, ocupam determinadas posições dentro da estrutura do átomo. Essas posições são chamadas de níveis energéticos.

2) Um dispositivo chamado soprador faz circular CO2dentro de uma câmara.

Essa câmara tem dois eletrodos ligados a uma fonte de alta-tensão.

Esses eletrodos criam um campo elétrico que aumenta a energia do gás dentro da câmara.

3) Em razão desse acréscimo de energia, os elétrons dos átomos que formam o CO2 se excitam e mudam de nível orbital, passando a girar em níveis mais externos.

Após algum tempo, os elétrons voltam ao seu nível energético original.

Nessa volta, eles têm de eliminar a energia extra adquirida.

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4) Na emissão espontânea, ocorre uma liberação de energia na forma de luz. Esta luz emitida estimula a emissão contínua, de modo que a luz seja amplificada.

Essa luz é guiada e novamente amplificada por meio de espelhos, até que, no cabeçote da máquina, é concentrada, através de lentes, num único ponto: o foco. O direcionamento permite a concentração de energia em um ponto inferior a 0,25 mm de diâmetro.

LASER DE CO2

- Adequado para elevada densidade de potência.

- Atualmente é o tipo mais comum de laser usado na indústria.

- Utiliza o dióxido de carbono (CO2) como veículo ativo.

Outros gases, como o nitrogênio (N2) e o hélio (He), são misturados ao dióxido de carbono para aumentar a potência do laser.

LASER DE CO2

- CO2= emissora de radiação

- He = arrefecimento e manutenção da inversão da população

- N2= excitação das móleculas de CO2 para nível de energia mais elevado.

LASER DE CO2

V1

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Usinagem por feixe de laser (laser beam machining– LBM) SISTEMA DE CORTE LASER NA INDÚSTRIA

Os sistemas de corte a laser não podem ser operados manualmente, pois o processo envolve alta concentração de energia, uma vez que o feixe deve ser muito concentrado e o corte ocorre a velocidades muito altas.

SISTEMA DE CORTE LASER NA INDÚSTRIA Um Sistema laser é constituído de:

Fonte laser

Equipamento de deslocamento

SISTEMA DE CORTE LASER NA INDÚSTRIA Fonte

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Sobre a peça, o cabeçote laser movimenta-se em duas direções: longitudinal e transversal (motores elétricos, controlados por computador).

Pelo cabeçote laser flui um gás, chamado gás de assistência, que tem por função remover o material fundido e óxidos da região de corte.

Equipamento de corte a laser

Mesas móveis, com capacidade de movimentação segundo os eixos x, y e z. Os eixos x e y determinam as coordenadas de corte, enquanto o eixo z serve para corrigir a altura do ponto focal em relação à superfície da peça, pois, durante o corte, esta distância é afetada por deformações provocadas na chapa, pelo calor decorrente do próprio processo.

Sistema de interligação entre o laser e a mesa

As coordenadas de deslocamento geralmente são comandadas por um sistema CAD acoplado à mesa de corte.

Nas máquinas de corte a laser, o material a ser cortado normalmente possui forma de chapas ou tubos.

Sistema de interligação entre o laser e a mesa

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EVOLUÇÃO NO SISTEMA DE CORTE LASER

Ótica Fixa BIDIMENSIONAL

5 Eixos TRIDIMENSIONAL

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Punçonagem + Corte Laser MÁQUINAS COMBINADAS

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FORMAÇÃO DA SUPERFÍCIE DE CORTE Mecanismo = Fusão e Vaporização Material fundido é expelido para baixo ou para trás por ação de um jato de gás de assistência.

Na superfície observam-se estrias

ESQUEMA DA SUPERFÍCIE DE CORTE

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PARÂMETROS DE CORTE - Feixe laser;

- Potência;

- Modo de funcionamento (contínuo ou pulsado);

- Comprimento de onda da radiação;

- Lentes

- Velocidade de corte;

- Gás de assistência;

- Material

PARÂMETROS DE CORTE

PARÂMETROS DE CORTE PARÂMETROS DE CORTE

superiores

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PARÂMETROS DE CORTE PARÂMETROS DE CORTE

Fatores que afetam o corte a laser

Os gases para corte a laser são, normalmente, fornecidos em cilindros de gases puros, mas também podem ser entregues pré-misturados.

As impurezas na mistura de gases podem baixar o desempenho do laser de CO2, diminuindo a potência de saída, tornando a descarga elétrica instável ou aumentando o consumo dos gases.

Quando usar e não usar o corte a laser

O uso de máquinas de corte a laser é recomendado quando as peças apresentarem formas complicadase for exigido umacabamento de superfíciepraticamente livre de rebarbas na região de corte. Como esse processo não requer estampos de corte, é possível produzir rapidamente lotes pequenos e diversificados.

O fato de o laser de CO2 gerar uma imensa intensidade de calor não significa que ele possa vaporizar e cortar todos os metais conhecidos, pois cada material reage de forma diferente a esse tipo de energia.

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MATERIAIS

Aços não ligados – Podem ser facilmente cortados a laser, principalmente se o gás de assistência for o oxigênio. A qualidade de corte é boa, produzindo pequenas larguras de corte e bordas retas, sem rebarbas e livre de óxidos.

Aços inoxidáveis – Chapas finas podem ser cortadas com excelente resultado. Não é possível cortar chapas tão espessas como as de aços não ligados.

Aços-ferramenta– São difíceis de cortar por outros métodos convencionais, por causa do alto teor de carbono, mas apresentam boa qualidade de superfície, quando cortados a laser.

Alumínio e suas ligas – A espessura máxima que pode ser cortada a laser situa-se por volta de 4 mm a 6 mm, pois, como já foi dito, o alumínio reflete a luz e é bom condutor de calor, dificultando a concentração de energia.

MATERIAIS

Cobre e suas ligas – Assim como o alumínio, também apresenta tendência a refletir a luz. Para o corte de peças não planas, é extremamente importante a proteção contra radiação refletida.

Titânio e suas ligas– Pode ser cortado a laser, desde que a zona de corte seja protegida por um gás inerte (CO2 , He, N2), que evita a oxidação pelo ar.

Na face posterior do corte deve ser injetado um gás igualmente inerte, que ajuda a eliminar as gotas aderentes de metal fundido.

Outros materiais– O laser corta ainda vários outros materiais não-metá- licos como: polímeros, têxteis, couro, cerâmica, rochas etc.

V

Vantagens do laser

Por ser uma forma de energia concentrada em pequena área, o corte a laser proporciona cortes retos, pequena largura de corte, zona mínima afetada pelo calor, mínima distorção e arestas de excelente qualidade.

Por ser uma luz, não entra em contato direto com a peça, não causando distorções e não se desgastando.

É um sistema de fácil automatização, permite cortar peças de formas complexas e não requer a troca de“ferramenta de corte” cada vez que é substituído o material a ser cortado.

Desvantagens do laser

Alto custo inicial do sistema;

Pequena variedade de potências disponíveis, que limitam o corte a espessuras relativamente baixas e a materiais que apresentem baixa reflexão da luz;

Formação de depósitos de fuligem na superfície, no corte de materiais não-metálicos, como madeira e couro;

Formação de produtos tóxicos (ácido clorídrico), no corte de PVC.

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Comparação entre diferentes sistemas de corte

USINAGEM A PLASMA

Anos 50: arco utilizado na soldagem TIG foi modificado tornando possível o corte de qualquer metal condutor de eletricidade (principalmente metais ferrosos, que não podem ser cortados por oxi-corte) Histórico

Pode ser definido como QUARTO ESTADO DA MATÉRIA PLASMA

A diferença entre os estados baseia-se na energia.

Gases com grande energia ionizam formando o plasma.

PLASMA

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PLASMA NA INDÚSTRIA

O corte plasma é um processo que utiliza gás ionizado formado a partir de uma fonte de CC.

O plasma é direcionado a um pequeno orifício calibrado aumentando a concentração de energia e temperatura.

Realiza a fusão e vaporização do metal que é expulso pela força do jato de gás.

Quanto maior a corrente da fonte de energia maior a capacidade de corte.

PLASMA NA INDÚSTRIA

Corte Plasma Manual:

- Simples e de fácil operação;

- Bocal isolado eletricamente permite apoio na peça;

- Fontes inversoras portáteis.

V2

Eletrodo - Eletrodo +

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Corte Plasma Manual: Corte Plasma Manual:

Com a passagem de corrente se forma uma centelha

O gás (ar comprimido) é ionizado formando o plasma

Peça (eletrodo +)

O plasma confinado na tocha é atraído pela peça a ser cortada (eletrodo positivo).

Aplicação:cortes de chapas finas até grandes espessuras (estruturas metálicas)

Vantagens:flexibilidade da tocha, facilidade de operação, velocidade de corte e menor deformação da chapa.

V2.1

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Corte Plasma Mecanizado:

- Sistema automático para controle da tocha;

- Sistemas complexos utilizam CNC.

Componentes:

1- Fonte de Energia

2- Console de ignição– Alta frequencia 3- Console do controle de gás

4- Tocha plasma 5- Válvulas de controle

V2.2

Qualidade do Corte Plasma

Avaliação se realiza baseada em Norma - desvio angular EN ISO 9013 - rugosidade

- linhas de arraste - formação de escória

*Linhas de corte ajudam a determinar a Vc.

Devem acompanhar o corte entre 10 e 15 graus.

Quando estão mais verticais a velocidade é muito baixa Quando estão mais alinhadas, a velocidade está alta.

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ESTUDO DE CASO

CORTE LASER X CORTE PLASMA

ESTUDO DE CASO

Produto

Peça de trator

Produção de 600 peças por mês

Produto

Dimensões

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Furos realizados por corte (laser e plasma)

Antes

Depois

Resultados: Corte PLASMA

Medidas dos furos:

Resultados: Corte PLASMA

Acabamento/ Deformações:

*Devido ao mal acabamento e as tolerâncias, necessita de usinagem convencional posterior.

Resultados: Corte LASER

Medidas dos furos:

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Resultados:

Velocidade de corte:

Resultados:

Tempo:

Resultados:

Tempo:

Resultados:

Produtividade:

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Resultados:

Produtividade:

Conclusão: