Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Um mergulho profundo na velocidade e no poder do cortador a laser

Um dos aspectos mais complicados a considerar quando o corte a laser é o delicado equilíbrio entre a velocidade de translação e a potência do laser. Queremos cortar o mais rápido possível, mas há momentos em que é melhor desacelerar? A resposta curta é: "definitivamente sim".

Vamos compartilhar com nossa comunidade de criadores os efeitos que a velocidade e a potência têm na largura de corte, ângulo de corte e profundidade de gravação. Esta será a primeira edição de uma série contínua de artigos, com a ajuda de Mako.

Então, o que exatamente estamos fazendo?

Como qualquer "fabricante de laser" sabe, os dois parâmetros mais importantes na calibração de um laser são velocidade de translação e potência do laser. Outros parâmetros, como resolução, direção de gravação e frequência, também terão um impacto no seu trabalho, mas nenhum tanto quanto os dois grandes. Vamos determinar em que medida esses dois parâmetros têm algum comportamento previsível na qualidade do corte.Mais precisamente, quando cortamos um pedaço de material, notamos que o corte, ou a espessura do corte, depende da energia total que estamos focalizando em um ponto em uma superfície de trabalho.

Para uma primeira aproximação em 2D, definimos este nível de energia como a potência do laser x a superfície focal do laser dividida pela velocidade de conversão.

Com feixe de laser perfurando um material de 3 mm de espessura, vemos um ângulo Kerf exagerado de 1 grau e uma largura de corte de 0,25 mm.

Por causa de nossos testes:

Nosso experimento foi simples: usando o “AutoDesk Fusion 360”, desenhamos uma série de quadrados de 5 mm por 5 mm e cortamos 10 exemplos de cada um usando diferentes configurações de energia. Cada quadrado individual foi medido com um micrômetro para duas características diferentes:

1. Largura média do Kerf: A largura média do kerf (a.k.w.) é a largura do raio laser que corta a peça manufaturada. Essa medida é importante, pois deve ser considerada no projeto para fazer junções justas ao montar várias peças.

Experimentalmente, determinamos o a.k.w. medindo as superfícies superior e inferior de nossas amostras na direção X e direção Y. A fórmula usada para a largura média do kerf é:

2. Ângulo de Kerf médio: O ângulo do canal de kerf (a.k.a.) é o ângulo do canal de queima em forma de v em relação ao feixe de laser. Experimentalmente, determinamos a a.k.a. medindo a diferença dimensional entre a superfície superior e as superfícies inferiores para cada amostra. A fórmula usada para o ângulo de kerf é:

Um segundo teste foi feito onde gravamos (rasterização) a superfície dos quadrados de 5 mm x 5 mm enquanto variamos os níveis de energia e testamos para ver quanto material foi removido. Este teste nos obrigou a medir com precisão a espessura do material antes e depois de cada teste com um micrômetro de alta precisão.

Fonte: https://www.ophiropt.com/laser–measurement/knowledge-center/article/11347

O que mostramos é uma relação clara entre a espessura do corte, o ângulo do corte e a profundidade do corte e a energia do laser. À medida que aumentamos a energia, o feixe de laser cônico queimará o material da face de trabalho em direção à base em um volume cilíndrico e, portanto, criará paredes paralelas entre o corte. No entanto, como a energia será muito maior, isso queimará mais material e, portanto, aumentará a tolerância geral dentro do canal de corte.

Resultados

Tolerância Kerf: A tolerância Kerf parece ser bastante previsível e está relacionada ao nível de energia que focamos na superfície de trabalho. Isso é muito conveniente, pois nos permite ajustar nossos cortes baseados no nível de tolerância que buscamos!

Dentro de certos limites, podemos prever a tolerância do Kerf aplicando uma equação linear simples. No entanto, devemos ter cuidado porque, como podemos ver, quanto mais energia focalizamos na área de corte, menos preciso se torna o nosso corte. Quando começamos a derreter fortemente o material dentro da região localizada do corte, a natureza líquida da zona de corte torna-se menos previsível.

Vemos que a tolerância está diretamente relacionada ao poder e à velocidade. Igualmente, o tamanho, a distância focal da lente do laser e a capacidade do usuário de posicionar precisamente a altura Z acima da superfície de trabalho desempenham um papel importante na precisão dessa medida. Isso será explicado com mais detalhes na seção "desenvolvimentos futuros" deste artigo.

Ângulo de Kerf:

Dentro de certos limites, podemos prever o ângulo do Kerf aplicando uma equação linear simples. No entanto, devemos ter cuidado porque, como podemos ver, quanto mais energia focalizamos na área de corte, menos preciso se torna o nosso corte.

Os testes feitos no ângulo do kerf são muito menos precisos, já que o grupo da amostra é muito menor, e não há dados suficientes para verificar se existe uma relação linear entre a energia e o ângulo do kerf. Os cálculos a seguir expressam uma solução linear para o conjunto de dados que medimos.

O ângulo Kerf é igualmente previsível e está relacionado ao nível de energia que focamos na superfície de trabalho. Isso é geralmente menos útil na usinagem de peças, mas existem alguns casos muito específicos em que é muito útil.

Exemplo 1 (engrenagens):

Fazendo engrenagens: Quando o corte a laser é feito com engrenagens retas, é importante manter um ajuste preciso (para minimizar a folga e garantir o contato com os dentes). Para engrenagens retas, também é importante considerar o perfil do dente. Como o laser não pode realmente cortar perpendicularmente à superfície, todas as engrenagens retas cortadas a laser são na verdade “engrenagens cônicas”. O perfil do dente na superfície frontal não será o mesmo que o perfil na parte de trás. Esse fenômeno pode ser totalmente desprezível para a maioria das aplicações práticas, mas é certamente algo melhor entendido para que considerações possam ser feitas durante a fase de projeto.

Seção Transversal Tapered Spur gearSource: https://khkgears.net/new/gear_knowledge/gear_technical_reference/gear_backlash.html

Exemplo 2 (Microfluidics): “Microfluidics lida com o comportamento, controle preciso e manipulação de fluidos que são restritos geometricamente a uma escala pequena, tipicamente submilimétrica, na qual a penetração capilar governa o transporte de massa. É um campo multidisciplinar na interseção entre engenharia, física, química, bioquímica, nanotecnologia e biotecnologia, com aplicações práticas no projeto de sistemas nos quais baixos volumes de fluidos são processados ​​para obter multiplexação, automação e triagem de alto rendimento. A microfluídica surgiu no início dos anos 80 e é usada no desenvolvimento de cabeças de impressão a jato de tinta, chips de DNA, tecnologia lab-on-a-chip, micro-propulsão e tecnologias micro-térmicas. ”- Wikipedia

Devido à relativa escala e consistência necessárias para a fabricação de um sistema microfluídico, é imperativo considerar a geometria capilar, pois isso afetará o desempenho do sistema.

Deve-se levar em consideração a seção transversal do capilar, cujas duas dimensões principais terão profundidade e conicidade (ver figura). Os cálculos propostos para o ângulo de conicidade podem permitir o desenvolvimento de sistemas microfluídicos mais precisos.

Profundidade de corte A profundidade de corte é muito previsível e está relacionada ao nível de energia que focalizamos na superfície de trabalho. Isso é interessante, pois nos permite ajustar a profundidade da gravação, bem como os parâmetros de corte para diferentes espessuras de PMMA.

Os testes foram feitos em níveis de energia relativamente baixos, pois queríamos reduzir o impacto do fumo. Os testes com maior potência são menos precisos, pois temos uma alta concentração de fumaça que permanece dentro do canal, assim como a refração do laser contra as paredes de corte não paralelas. Os resultados desses testes ainda nos colocam dentro de 10% de nossos níveis de energia necessários para o material de corte de até 6 mm.

Esta informação é útil ao fazer gravações em escala de cinza para imagens, relevos em 3D e trabalhos em litofania. Usando softwares como Photoshop, CorelDraw ou qualquer software de processamento de imagem, podemos transformar qualquer imagem em uma imagem em preto e branco. A partir do qual podemos aplicar um fluxo de trabalho de rasterização usando nosso laser.

Geralmente, ajustamos a imagem para criar uma imagem em escala de cinza de 16 bits e 120dpi-300dpi. Aumentar a resolução ou profundidade de cor requer velocidades de gravação extremamente baixas para extrair qualquer melhoria na qualidade. Uma vez que a imagem é carregada em nosso software de processamento a laser (RdWorks V8 at Mako), calibramos nosso laser para gravar as regiões pretas (RGB: 255,255,255) em nossa profundidade máxima e as regiões brancas (RGB: 0,0,0) para nossa profundidade mínima exigida (geralmente 0,1 mm).

Essa técnica nos permite gravar imagens em plástico a laser ou ter profundidades de bolso precisas para peças mecânicas. A profundidade e o escopo dessa técnica e todos os parâmetros importantes estão fora do escopo deste artigo.

Desenvolvimentos futuros: Existem várias deficiências neste modelo.

Em artigos futuros, gostaríamos de determinar dois critérios adicionais:

  1. A incerteza do posicionamento do laser no eixo Z;
  2. As taxas de aceleração X, Y para o nosso laser (e um método definido para medir isso) para que as transferências de energia consistentes possam ser calculadas;
  3. Um modelo mais desenvolvido que considera a intensidade do laser e a absorção, refração e reflexão ótica durante a queima do material;
  4. Dissipação de calor no material de trabalho e seus efeitos na largura do corte.

Primeiro, nosso primeiro tratamento não considera a imprecisão de colocar o laser sobre a superfície de trabalho. Fornecemos apenas uma aproximação em que consideramos que o diâmetro do laser é de 250 mícrons e a intensidade do laser é constante em todo o feixe. Como podemos ver nas figuras abaixo, a intensidade e o diâmetro focal são conseqüências diretas da capacidade do usuário de focar corretamente o feixe. Em artigos futuros, gostaríamos de usar simuladores ópticos de traçado de raio para ter um modelo melhor que nos permita determinar o gradiente da intensidade do feixe em função da nossa altura Z.

Em segundo lugar, a velocidade de translação do laser não é constante. À medida que diminuímos o comprimento total de um segmento de linha, os efeitos da aceleração / desaceleração do carro de laser se tornam mais aparentes. Isso significa que, para uma linha pequena de 5 mm, pode ser impossível testar com velocidades de conversão de alguns mm / s, pois a máquina nunca terá tempo para atingir a velocidade designada. Existem empresas que projetaram essa aceleração / desaceleração em sua estimativa de tempo e será necessário determinar a “velocidade crítica” para determinados comprimentos de linha, sobre os quais a transmissão de energia calculada pode ser considerada falsa.

Por último, gostaríamos de desenvolver um modelo mais completo, onde podemos levar em consideração a absorção de 1016 nm de luz por determinados materiais, sua capacidade de refratar a luz, bem como sua capacidade de transmitir essa energia como calor. O teste atual mostra que há uma certa correlação com o que chamamos grosseiramente de “transmissão de energia” e seus efeitos na usinagem. Seria muito mais elegante e útil ter uma fórmula a ser aplicada, definida por características físicas reais, que nos desse os efeitos na usinagem.

Conclusão:

Esperamos que este artigo dê aos Fablabs e makerspaces uma nova perspectiva sobre a finesse que podemos obter com a tecnologia de gravação a laser Co2. Da mesma forma, para novos laboratórios, este artigo pode ajudá-lo a encontrar seu primeiro conjunto de parâmetros “aproximados” para obter o corte a laser com eficiência e segurança. Continuaremos testando materiais diferentes e esperamos desenvolver uma comunidade de fabricantes que gostariam de contribuir para este projeto.

Precisamos melhorar o modelo físico que desenvolvemos para que possamos levar em conta as propriedades físicas dos materiais. A longo prazo, o objetivo seria correlacionar os efeitos do corte a laser a propriedades (refração e absorção ótica, condutividade térmica, energia de vaporização, etc.) disponibilizadas nas fichas técnicas de novos materiais. Com esses meios, podemos prever os parâmetros dos materiais e determinar sua viabilidade antes de comprar ou testar.

Nosso objetivo final seria desenvolver um pequeno aplicativo / widget em que o usuário pudesse inserir a potência nominal e a escolha de material do laser para que o aplicativo exibisse as configurações necessárias. Isso permitiria que novos fabricantes se tornassem operacionais mais rapidamente e que os workshops fossem mais lucrativos.

Esta série de experimentos foi interessante e esclarecedora para nós na Mako. Esperamos que o leitor tenha achado igualmente interessante e útil. Estamos abertos a toda discussão em relação ao trabalho para construir uma comunidade para aperfeiçoar e aperfeiçoar nosso projeto. Desejamos-lhe boa sorte com o seu laser e fique atento à nossa próxima edição: Effets mécaniques da calibração laser sobre MDF 3mm.

Ação

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