O corte a laser é a tecnologia mais antiga e mais comumente usada na área de processamento a laser, representando mais de 70% de todo o campo. É amplamente utilizado em indústrias como máquinas, automóveis, aeroespacial, têxteis leves, alimentos e tratamento médico.
O corte a laser tradicional limitava-se principalmente ao corte plano. Com o desenvolvimento da tecnologia de corte a laser, o processamento de peças tridimensionais de forma livre tornou-se gradualmente possível.
Desde o primeiro CO de cinco eixos do mundo2 A máquina de corte a laser foi desenvolvida pela Prima em 1979. As máquinas de corte a laser 3D foram favorecidas por sua forte flexibilidade, alta precisão, requisitos mínimos de equipamentos de ferramentas e curto tempo de preparação de produção.
Atualmente, eles são amplamente utilizados para processar peças 3D em indústrias como automobilística, fabricação mecânica e aeroespacial.
1. Tipos de máquinas de corte a laser 3D
Para garantir a qualidade do processamento e utilizar eficientemente a energia do feixe de laser no corte a laser 3D, a cabeça de corte deve se mover ao longo de uma trajetória espacial predeterminada enquanto o eixo do feixe de laser permanece perpendicular à superfície da peça que está sendo cortada.
Portanto, as máquinas de corte a laser 3D normalmente requerem pelo menos 5 eixos, incluindo três eixos de movimento linear (X, Y, Z) e dois eixos rotativos (dois dos eixos A/B/C). Atualmente, existem duas estruturas básicas de máquinas de corte a laser 3D, tipo pórtico e estilo robótico, disponíveis no mercado comercial.
O primeiro geralmente possui uma base ou mesa de trabalho que fornece movimento linear ao longo dos eixos X, Y e Z, enquanto a cabeça de corte fornece os dois eixos de movimento rotativo (ou oscilante) restantes.
Este último utiliza transmissão de fibra (ou braço articulado com espelhos refletores internos) para integração com robôs e realização de corte a laser 3D.
A comparação de desempenho dos dois é mostrada na Tabela 1.
Tabela 1: Comparação de desempenho de máquinas de corte de pórtico e robóticas.
| Desempenho | Estilo Pórtico | Estilo Robótico |
| Espaço de trabalho | Grande | Pequeno |
| Velocidade de processamento | Alto | Pequeno |
| Precisão de processamento | Baixo | Baixo |
| Capacidade de abordar a área de processamento | Pobre | Bom |
| Espaço | Grande | Pequeno |
O laser de alta potência é um componente crítico do equipamento de corte a laser. De acordo com o tipo de laser utilizado, as máquinas de corte a laser 3D são geralmente divididas em três categorias: máquinas de corte a laser de fibra, CO2 máquinas de corte a laser e máquinas de corte a laser YAG.
A principal comparação de desempenho dos três tipos de máquinas de corte a laser é mostrada na Tabela 2.
Tabela 2: Comparação de desempenho de fibra, CO2e máquinas de corte a laser YAG.
| Desempenho | Máquina de corte a laser de fibra | Máquina de corte a laser CO2 | Máquina de corte a laser YAG |
| Processamento de tipos de materiais | Metal | Metal, não metálico | Metal |
| Velocidade de corte | Alto | Relativamente alto | Baixo |
| Precisão de corte | Alto | Alto | Relativamente alto |
| Eficiência de conversão fotoelétrica | Cerca de 30% | Cerca de 10% | Cerca de 3% |
| Custo do equipamento | Médio | Alto | Baixo |
| Danos ao corpo humano | Alto | Baixo | Médio |
| Posicionamento de mercado | Processamento de alta precisão de chapas finas com espessura ≤12 mm | Processamento de placas finas com espessura ≤8mm de materiais de alta reflexão. | Processamento de metais e múltiplas chapas não metálicas com espessuras de 6-25mm. |
Atualmente, no mercado comercial, as máquinas de corte a laser de fibra e as máquinas de corte a laser CO2 são os principais tipos de máquinas de corte a laser 3D.
2. Status da pesquisa no país e no exterior
2.1 Máquina de corte a laser de fibra tridimensional
Comparado com CO2 corte a laser e corte a laser YAG, o corte a laser de fibra tem certas vantagens na eficiência de corte, eficiência de conversão de energia fotoelétrica, estrutura de caminho óptico, custo de manutenção, precisão de corte, etc.
Nos últimos anos, o desenvolvimento de máquinas de corte a laser de fibra tem sido rápido, substituindo gradualmente as tradicionais máquinas de corte a laser CO2 e tornando-se a nova tendência do mercado.
Atualmente, fabricantes estrangeiros bem conhecidos que produzem máquinas de corte a laser de fibra tridimensional incluem a alemã Trumpf, a italiana Prima Power, a americana PREISER, bem como a japonesa Komatsu, NTC, Koike, Mitsubishi, AMADA e MAZAK.
Entre eles, TruLaser Cell 3000 da Trumpf, TruLaser Cell 5030, TruLaser Cel 8030, Rapido da Prima Power, Laserdyne 75G, série TLH-N da Komatsu e LCG3015AJ II da AMADA e outros produtos de máquinas de corte a laser de fibra tridimensional têm alta visibilidade.
A máquina-ferramenta de processamento a laser de cinco eixos TruLaser Cell 3000 adota uma estrutura modular e pode usar uma variedade de lasers. Ele pode implementar processamento como soldagem, corte e revestimento a laser, substituindo a cabeça de processamento a laser. Também é fácil obter automação de máquinas-ferramenta e pode atender às necessidades de produção em massa. A precisão de posicionamento é relativamente alta, com precisão de posicionamento do eixo XNZ de ± 0,015 mm e precisão de posicionamento do eixo A, C de 0,02°.
A máquina de corte a laser 3D TruLaser Cell 8030 é adequada para o corte rápido de painéis laterais de veículos termoformados em grande escala. Sua faixa de movimento do eixo X/Y/Z é 3000mm/1300mm/600mm e a aceleração do eixo é 4g. Também adota uma mesa de processamento rotativa otimizada, o que reduz bastante o tempo de não produção e melhora a eficiência e a produtividade, conforme mostrado na Figura 1.
A máquina de corte a laser Rapido 3D de 5 eixos usa um laser de fibra de 2,0-4,0 kW, que fornece processamento flexível para diversas aplicações de corte e soldagem. A máquina possui sistema de prevenção de colisões, além de acionamento direto que elimina recuo e desgaste.
A máquina de processamento a laser multieixos Laserdyne 795 utiliza superfícies de usinagem de alta precisão e parafusos de acionamento de grande diâmetro e alta rigidez, proporcionando alta precisão mecânica e tornando-a adequada para aplicações de corte em alta velocidade. Também é compatível com diferentes tipos de fontes de laser, como fibra, CO2e YAG, conforme mostrado na Imagem 2.
A máquina de corte a laser de controle de 5 eixos 3D de ultra-alta velocidade da série TLH-N apresenta alta rigidez, alta velocidade (velocidade de deslocamento rápido do eixo X/Y/Z de 100m/min, velocidade de deslocamento rápido do eixo A/C de 540°/ s), boa operabilidade e design aberto em um único lado com alta acessibilidade.
A máquina de processamento a laser de fibra de alta eficiência LCG3015AJⅡ tem uma velocidade de deslocamento rápido de até 170m/min e uma taxa de avanço de usinagem de 120m/min. Possui alta eficiência de produção, boa escalabilidade e uma nova solução de melhoria digital para processamento de chapas metálicas, desde melhoria de processos até reforma de fábrica, conforme mostrado na Imagem 3.
A indústria de laser industrial da China começou relativamente tarde e há uma lacuna significativa na pesquisa e desenvolvimento de tecnologia comercial de corte a laser em comparação com os países desenvolvidos. Com o governo chinês listado a tecnologia de processamento a laser como um projeto-chave de pesquisa científica e tecnológica, houve um aumento de interesse na indústria e cada vez mais empresas e instituições de pesquisa iniciaram pesquisas tecnológicas relevantes.
Atualmente, várias empresas chinesas lançaram produtos de máquinas de corte a laser de fibra 3D, incluindo Hans Laser, HG Laser, Chutian Laser, Bystronic Dne, Gweike e LeMing Laser.
Entre eles, a máquina de corte a laser de fibra HyRobot C20 da Hans Laser, a máquina de corte a laser 3D de 5 eixos para carro AUTOBOT da HG Laser, a máquina de corte a laser 3D de 5 eixos série SF, a máquina de corte a laser de fibra de mesa de troca automática grande fechada FC-CBD da Dne Laser, A máquina de corte a laser 3D de 5 eixos para carro FK3015S da Focus Laser, a máquina de corte a laser 3D de 5 eixos STK-S-3015 da Stark e o equipamento de corte a laser inteligente multieixos LMR 3D da LeiMing Laser são produtos bem conhecidos.
Atualmente, os principais indicadores técnicos dos produtos domésticos de máquinas de corte a laser de fibra 3D não são muito diferentes daqueles dos produtos convencionais estrangeiros, conforme mostrado na Tabela 3.
Tabela 3: Principais indicadores técnicos das máquinas de corte a laser de fibra 3D.
| Nome | Parâmetros técnicos | |
| Eixos Lineares (Eixos X/Y/Z) |
Velocidade de posicionamento /mm/min |
50-120 |
| Aceleração de posicionamento /EM-2 |
0,8-1,0 | |
| Precisão de posicionamento /milímetros |
±0,05-0,03 | |
| Precisão de posicionamento repetida /milímetros |
±0,05-0,01 | |
| Eixos Rotativos (Eixos C/B/A) |
Velocidade de posicionamento /°·s) |
540-720 |
| Aceleração de posicionamento / (°·s-2) |
3600-6000 | |
| Precisão de posicionamento /° |
0,02-0,015 | |
| Precisão de posicionamento repetida /° |
0,01-0,005 |
2.2 CO tridimensional2 Máquina de corte a laser
CO2 as máquinas de corte a laser são atualmente amplamente utilizadas para processar aço inoxidável com espessura não superior a 12 mm e materiais não metálicos com espessura não superior a 25 mm. Eles têm sido amplamente utilizados no corte e processamento de peças internas e externas automotivas e peças não metálicas em outras indústrias.
Atualmente, os principais fabricantes estrangeiros de CO2 As máquinas de corte a laser incluem a alemã Trumpf, a italiana Prima Power e as japonesas Komatsu e NTC, entre outras. Entre eles, o CO tridimensional Tru Laser Cell 70402 máquina de corte a laser da Trumpf, a máquina de corte a laser de 5 eixos Optimo 3D da Prima Power, a máquina de corte a laser de controle de 5 eixos 3D da série TLM da Komatsu e a máquina de corte a laser de 5 eixos 3D TLM610 com mesa de trabalho de troca dupla da NTC são produtos bem conhecidos.
O CO tridimensional TruLaser Cell 70402 A máquina de corte a laser tem um deslocamento do eixo XY/Z de 4000 mm × 2000 mm × 1000 mm, deslocamento do eixo B/C de ± 135° e n × 360° e uma aceleração máxima do eixo de 4g. Possui múltiplas áreas de trabalho que podem ser convenientemente selecionadas de acordo com as necessidades, e vários lasers podem ser usados. Ele pode realizar uma variedade de técnicas de processamento, como soldagem, corte e revestimento a laser, substituindo o cabeçote de processamento a laser, conforme mostrado na Imagem 4.
A máquina de corte a laser de 5 eixos Optimo 3D também é adequada para cortar e soldar peças grandes, com um curso do eixo XNZ de 4500 mm × 2500 mm × 1020 mm e um curso do eixo B/A de ± 135° e 360°. Ele usa um fluxo axial rápido de 2,5-4kW e CO plano2 laser. Conforme mostrado na Imagem 5.
A máquina de corte a laser 3D de 5 eixos TLM610 adota uma base tipo pórtico, uma mesa de trabalho móvel, uma cabeça de corte de ponto único e uma caixa de controle oscilante com tecnologia patenteada, uma estrutura especial de bico de corte, sistema CNC de alto desempenho TDLC-04R e fornece programação offline.
Atualmente, o CO doméstico2 o corte a laser é usado principalmente em produtos de máquinas de corte 2D, como a máquina de corte a laser MS-1380 desenvolvida pela Mingsheng Laser Technology Co., Ltd., e a máquina de corte a laser ZT-CC1610 desenvolvida pela Zongtong Laser Technology Co., Ltd. atualmente não há 3D CO comercial2 produtos de máquinas de corte a laser disponíveis.
3. Tendências de Desenvolvimento
(1) Alta potência
Aumentar a potência do laser pode melhorar a capacidade e a eficiência do processamento, ao mesmo tempo que reduz os custos de processamento. Com a diminuição do custo dos lasers, o poder dos produtos convencionais no corte 3D máquinas aumentou de 2kW e 3kW há vários anos para 4kW e 6kW.
Hoje em dia, surgiram até produtos de nível megawatt, e acredita-se que os produtos de nível megawatt se tornarão a corrente principal do mercado nos próximos anos.
(2) Alta velocidade e alta precisão
Melhorar a velocidade e a precisão do posicionamento ajuda a melhorar a eficiência da usinagem e a atender aos requisitos de desempenho de máquinas de engenharia e outros produtos de alto valor agregado, aumentando assim a competitividade do produto.
Atualmente, a velocidade de posicionamento das máquinas de corte convencionais é de 100 m/min, enquanto a velocidade de posicionamento mais alta das máquinas de corte de alta velocidade pode chegar a 280 m/min.
(3) Inteligência
Automação e inteligência na operação são requisitos da Indústria 4.0 e da manufatura inteligente. Cada vez mais empresas prestam atenção à inteligência das máquinas-ferramentas, como sistemas abertos, descarga automática, autodiagnóstico de falhas, gerenciamento inteligente de dados de processo, controle remoto, etc.
(4) Diversificação de funções
A expansão da gama de usinagem de máquinas-ferramentas pode aumentar a flexibilidade e adaptabilidade das máquinas-ferramentas, aumentando assim a competitividade do produto. Muitos produtos avançados de máquinas de corte 3D no exterior possuem uma ampla gama de processos.
Por exemplo, as máquinas de corte a laser 3D TruLaser Cel3000 e TruLaser CⅡ7040 da Trumpf têm funções de corte 3D e deposição de metal de soldagem. A máquina de corte a laser Rapido 3D de 5 eixos da Prima Power pode usar vários lasers para atender às necessidades de vários processos de soldagem e corte.
4. Conclusão
No contexto da transformação do processamento tradicional para a produção de alta qualidade no setor industrial da China, a indústria de corte a laser continuará a manter uma tendência de desenvolvimento em alta velocidade.
No futuro, os equipamentos de corte a laser 3D evoluirão para alta potência, alta velocidade e alta precisão, inteligência e diversificação de funções.
Atualmente, em comparação com países desenvolvidos como Alemanha, Japão e Itália, ainda existe uma grande lacuna entre a China em termos de produtos de máquinas de corte a laser 3D, bem como componentes principais, como cabeças de corte a laser e lasers de alta potência, e principais áreas técnicas, como pesquisa e desenvolvimento de máquinas de corte a laser e pesquisa e desenvolvimento de sistemas CNC de alto desempenho.
Portanto, o pessoal científico e tecnológico deve continuar a realizar pesquisas aprofundadas.
