Introdução
O fabricante deve estar ciente de que os lasers de fibra estão inaugurando uma nova era na revolução da manufatura moderna. Com suas capacidades de corte, marcação e gravação de ultraprecisão, alta velocidade e sem contato, eles estão transformando o panorama da manufatura. Entre os diversos setores que estão se beneficiando dessa tecnologia estão os setores automotivo, aeroespacial, eletrônico e de dispositivos médicos. Os lasers de fibra e os lasers de CO₂ são considerados dois dos lasers mais amplamente utilizados em ambientes industriais, cada um com seus próprios pontos fortes e fracos.
- Um feixe de laser utiliza um comprimento de onda de 1.060 nm, enquanto a tecnologia de laser de CO₂ utiliza uma faixa de comprimento de onda de 10.600 nm.
- Para produzir um feixe de laser de alta potência, os lasers de fibra utilizam uma fibra óptica de estado sólido dopada com um elemento de terras raras, como o érbio ou o itérbio.
- Os lasers de CO₂ consistem em uma mistura de gases composta por nitrogênio, dióxido de carbono e hélio, que é utilizada para produzir luz.
Este artigo apresenta uma comparação abrangente entre lasers de fibra e lasers de CO₂, analisando suas diferenças estruturais, mecanismos de funcionamento, eficiência, requisitos de manutenção e aplicações. Ao final, você saberá qual tecnologia utilizar para atender às necessidades do seu setor.
O que é um laser de fibra?
A tecnologia de laser de fibra utiliza um laser de estado sólido com uma fibra óptica como meio de ganho. A substância dopante do núcleo da fibra é composta por elementos de terras raras, como itérbio (Yb), érbio (Er) ou neodímio (Nd), que amplificam o feixe de laser. O diodo direciona a luz para formar um feixe de laser bem definido, utilizado para talhar e gravar em metal, plástico e muitos outros materiais.
· Princípio de funcionamento
Um laser de fibra segue um conjunto específico de etapas durante seu processamento. Aqui estão essas quatro etapas.
- Um diodo de bombeamento produz luz que se propaga até o núcleo da fibra, e o bombeamento de luz é realizado.
- O núcleo da fibra dopada amplifica essa luz à medida que ela se reflete na fibra, proporcionando melhores resultados.
- A luz é amplificada e se apresenta como um feixe de luz focado e coerente para emissão.
- O feixe é conduzido por um cabo de fibra flexível diretamente até o cabeçote de corte ou marcação para a emissão do feixe.
· Componentes
Um laser de fibra é composto pelas seguintes peças. Aqui está a lista delas; sua função combinada permite que a tarefa seja realizada de forma adequada.
- Uma fibra de vidro dopada com um material de terras raras é utilizada para a geração e amplificação de luz.
- A fonte inicial de luz proveniente do elemento de terras raras é acionada pelo diodo de bombeamento.
- A ação do laser começa assim que o diodo de bombeamento gera luz.
- Nesse processo, o núcleo da fibra dopada pode servir como meio de ganho do laser.
- Por fim, a lente de fibra do laser desvia o feixe para cortar ou gravar.
· Vantagens dos lasers de fibra
Os lasers de fibra revolucionaram o mundo da fabricação de metais, possibilitando o corte, a gravação e a talha em uma ampla variedade de materiais.
- Eficiência estável de conversão de energia elétrica em energia óptica de até 90%.
- Não possui espelhos nem tubos de gás pesados, além de ser de tamanho reduzido.
- Não há peças ópticas móveis, e o laser de fibra possui um sistema totalmente vedado.
- Um laser de fibra pode ter mais de 100.000 horas de operação.
- O uso de um laser de fibra permite atingir o ponto exato, que pode ser tão pequeno quanto 90% do tamanho do laser de CO₂, com detalhes mais precisos.
- Recomenda-se seu uso com metais reflexivos, incluindo alumínio, cobre e latão.
Você conhece os lasers de CO₂?
Os lasers de CO₂, um tipo de laser a gás que utiliza um feixe de laser de alta potência por meio da combinação de gases, tendo o dióxido de carbono como base, têm sido uma ferramenta confiável na indústria de manufatura desde a década de 1970. Seu uso de longa data e seu histórico comprovado os tornam particularmente adequados para materiais não metálicos.
· Princípio de funcionamento
- Na etapa inicial, as moléculas de nitrogênio da mistura gasosa são excitadas por uma corrente elétrica.
- A energia é transferida das moléculas de nitrogênio excitadas para as moléculas de CO₂.
- As moléculas de CO₂ emitem fótons, e isso forma o feixe de laser.
- No tubo, ocorre uma reflexão da luz de ponta a ponta por meio de espelhos até que um feixe de laser estável seja emitido por um espelho parcial, por meio da ressonância óptica.
· Componentes
- Os principais componentes do sistema são um tubo de gás preenchido com dióxido de carbono, nitrogênio e hélio.
- Os eletrodos do sistema fazem com que as moléculas de gás fiquem carregadas.
- Um laser de CO₂ possui um espelho que focaliza e amplifica o feixe de laser.
- O sistema possui um sistema de resfriamento integrado que expele o calor gerado durante o uso.
· Vantagens dos lasers de CO₂
- É possível utilizar o CO₂ em diversos materiais, como madeira, acrílico, vidro, tecido e plásticos, que são exemplos de materiais não metálicos adequados para esse processo.
- O uso de um laser de CO₂ proporciona cortes mais limpos e uniformes em materiais mais espessos.
- Testado e utilizado há muito tempo.
- Sua operação exige menos manutenção em comparação com um laser de fibra.
- Tem um baixo custo inicial, que geralmente é menor do que o dos lasers de fibra.
Diferenças entre lasers de fibra e lasers de CO₂
Tanto os lasers de fibra quanto os de CO₂ apresentam vantagens e aplicações. No entanto, há certas áreas em que essas duas tecnologias também diferem.
Comprimento de onda e absorção
Um laser a gás e um laser de fibra apresentam comprimentos de onda e taxas de absorção diferentes. Veja a seguir a diferença entre os dois:
| Tipo de laser | Comprimento de onda | Características de absorção do material |
| Laser de fibra | 1,06 µm | O laser de fibra é ideal para metais; os materiais reflexivos o absorvem intensamente. |
| Laser de CO₂ | 10,6 µm | O uso de um laser de CO₂ é mais indicado para materiais orgânicos, como madeira e plásticos, e não é adequado para superfícies reflexivas. |
- O uso do laser de fibra, que possui um comprimento de onda menor, para obter melhor absorção em superfícies metálicas.
- Os comprimentos de onda mais longos do laser de CO₂ fazem com que ele não seja ideal para uso em superfícies reflexivas.
Materiais de corte
Os lasers de fibra e os lasers de CO₂ têm aplicações no corte de materiais; diferentes materiais apresentam diferentes níveis de compatibilidade com ambas as tecnologias. O fabricante reconhece que o laser de fibra é mais eficaz para o corte de superfícies metálicas reflexivas, enquanto o laser de CO₂ é mais adequado para o corte de materiais orgânicos, como madeira e tecidos.
| Materiais | Laser de fibra | Laser de CO₂ |
| Aço inoxidável | Válido | Menos eficaz |
| Alumínio | Válido | Menos eficaz |
| Cobre | Válido | Não é eficaz |
| Latão | Válido | Não é eficaz |
| Têxtil | Não é eficaz | Válido |
| Madeira | Não é eficaz | Válido |
| Plástico | Não é eficaz | Válido |
| Vidro | Não é eficaz | Válido |
Eficiência energética e consumo de energia
Ambas as tecnologias apresentam diferentes níveis de eficiência energética e consumo de energia. Veja os detalhes a seguir:
- As eficiências de conexão de parede para lasers de fibra situam-se entre 30% e 40%.
- Em contrapartida, os lasers de CO₂ atingem uma eficiência de apenas 5–10%.
Consequentemente, os lasers de fibra consomem cerca de 70% menos energia quando comparados aos lasers de CO₂ com a mesma capacidade de potência de saída. Por exemplo, um laser de CO₂ de 6 kW requer aproximadamente 70 kW de potência, enquanto um laser de fibra de 6 kW requer apenas 18 a 20 kW. Portanto, os custos operacionais serão quase 50% mais baratos ao se utilizar sistemas de laser de fibra.
Velocidade e precisão de corte
- No caso de materiais finos, os lasers de fibra cortam de 3 a 5 vezes mais rápido do que os lasers de CO₂, ou seja, 2,0 vezes mais rápido do que os de CO₂.
- Para materiais com espessura superior a vinte centímetros, os lasers de CO₂ apresentam melhores resultados devido ao acabamento mais liso das bordas.
Os lasers de fibra também oferecem:
- Maior precisão no corte devido às larguras menores do corte.
- Corte mais preciso no que diz respeito à redução do tamanho do feixe.
- Maior consistência para trabalhos complexos, como gravação e microcorte.
| Material | Velocidade do laser de fibra (mm/s) | Velocidade do laser de CO₂ (mm/s) |
| 3 mm de aço inoxidável | 55 | 20 |
| Alumínio de 10 mm | 25 | 10 |
| 6 mm de aço macio | 40 | 15 |
Manutenção e vida útil
Para que qualquer maquinário funcione corretamente, é essencial que seja inspecionado regularmente. No entanto, certas máquinas exigem mais manutenção do que outras.
Laser de fibra:
- A ausência de espelhos ou recargas de gás torna a manutenção desnecessária.
- O sistema de laser de fibra apresenta uma vantagem competitiva, com uma vida útil superior a 100.000 horas.
- Possui um design vedado e compacto que minimiza a possível contaminação.
Laser de CO₂:
- Para uma manutenção adequada, é necessário realizar regularmente o alinhamento e a limpeza dos espelhos.
- O reabastecimento de gás e a troca das lentes causam tempo de inatividade desnecessário.
- Sua vida útil típica é de 20.000 a 30.000 horas.
Manutenção
A cada 6 a 12 meses, é necessária uma inspeção no laser de CO₂. Isso representa uma melhoria significativa em relação aos lasers de CO₂, que exigem alinhamento e limpeza a cada 3 a 6 meses.
Análise de custos
| Categoria | Laser de fibra | Laser de CO₂ |
| Custo inicial | Mais alto | Mais baixo |
| Custo operacional | Mais baixo | Mais alto |
| Custo de manutenção | Mínimo | Moderado a alto |
| Custo de propriedade | Mais baixo | Mais alto |
Cenários de aplicação
· Aplicações dos lasers de fibra
- Pode ser usado para cortar, soldar e gravar aço inoxidável, alumínio e cobre.
- O corte e a marcação de peças de precisão na indústria automotiva.
- Corte de placas de circuito impresso (PCBs) e marcação de códigos de série na fabricação de produtos eletrônicos.
- Os lasers de fibra podem ser utilizados para cortar ligas leves no setor aeroespacial.
- Pode ser utilizado para gravar marcas de identificação precisas em dispositivos médicos.
· Aplicações dos lasers de CO₂
- Um laser de CO₂ é utilizado para gravação em papelão, plásticos e vidro.
- Os fabricantes utilizam esse material no corte e na gravação de peças de móveis.
- Os lasers de CO₂ são utilizados para o corte de tecidos e a criação de moldes na indústria têxtil.
- Na gravação em acrílico e vidro no setor de sinalização e publicidade.
- Pode ser utilizado na gravação de materiais orgânicos para fins decorativos.
Conclusão
Tanto os lasers de fibra quanto os lasers de CO₂ compartilham algumas características em comum; no entanto, há diferenças notáveis entre as duas tecnologias.
- Explica-se aqui que, nas indústrias automotiva, aeroespacial e eletrônica, os lasers de fibra são mais rápidos, mais precisos e mais eficientes no corte de metais.
- Por outro lado, os lasers de CO₂ continuam sendo eficazes para o corte de materiais não metálicos, como madeira, acrílico e tecidos, e deixam bordas finas e lisas.
Embora os lasers de fibra tenham custos de manutenção e operação mais baixos, o laser de CO₂ apresenta custos iniciais mais baixos. Em última análise, a escolha dependerá do tipo de material, da qualidade de corte exigida e da escala de produção, a fim de se obter o processo de fabricação mais eficiente.