CO2 vs Tecnologia de Fibra: Qual é a mais adequada para você?

CO2 vs Tecnologia de Fibra: Qual é a mais adequada para você?

Janeiro 2021

Esta análise cuidadosa e abrangente examina não apenas o equipamento de corte em si, mas também o impacto que o novo equipamento terá em outros processos de fabricação de chapas metálicas já existentes.

Evolução da tecnologia laser de fibra

O corte a laser de fibra tem sido uma das tecnologias mais "perturbadoras" introduzidas no mercado metalúrgico desde que os lasers de CO2 foram introduzidos pela primeira vez para corte nos anos 80. A tecnologia laser de fibra é considerada uma tecnologia perturbadora e "revolucionária" porque impactou todo o “status quo” na fabricação com chapas metálicas. E as oportunidades são fáceis de serem percebidas.

Durante um período de tempo relativamente curto, temos visto avanços exponenciais na tecnologia laser de fibra utilizada para o corte de chapas planas. Em apenas cinco anos os lasers de fibra atingiram o limite de corte de 4kW, sendo que os lasers de CO2 levaram cerca de quatro vezes mais tempo para chegar na mesma potência. Após dez anos, os lasers de fibra atingiram a faixa de 15 kw, para a qual o corte a laser de CO2 nunca foi feito. Com toda a justiça, os lasers de fibra - alguns excedendo 20kW - têm sido utilizados por outras indústrias por muitos anos em aplicações que não o corte de chapas de metal.

Vantagens da tecnologia laser de fibra

As principais vantagens de cortar chapa metálica plana com tecnologia laser de fibra são derivadas de sua configuração monolítica, Fiber-to-Fiber, de design compacto em estado sólido, sem manutenção que proporcionam um custo de operação mais baixo do que o que pode ser alcançado com lasers de CO2 comparáveis.

As características do feixe laser de fibra também fornecem velocidades de corte muito mais rápidas do que o CO2, como vamos explorar abaixo.

O feixe focalizado de até mesmo um laser de fibra de 2kW demonstra uma densidade de potência 5X maior no ponto focal quando comparado com um laser de CO2 de 4kW laser. Ele também possui uma característica de absorção 2,5X maior devido ao menor comprimento de onda do laser de Fibra.

(Veja Figura 1 e Figura 2).

A maior absorção do comprimento de onda da fibra e a maior densidade de potência criada pelo feixe focalizado combinam-se para alcançar um aumento de até cinco vezes na velocidade de corte em materiais com espessura inferior a 6 mm.

Os sistemas de corte a laser de fibra podem certamente cortar mais que uma polegada de espessura com potências de laser de fibra mais altas e até mesmo cortar mais rápido quando se utiliza nitrogênio como gás de assistência, mas o "ponto doce" onde os benefícios mais significativos são percebidos para o aço carbono está nos 6 mm e abaixo, ao fazer comparações com sistemas de CO2. Com certeza, se você estiver processando materiais inoxidáveis, alumínio, latão ou cobre, a tecnologia laser de fibra é a mais rápida e mais econômica, independentemente da espessura.

Figura 1. Comparação da densidade de potência do CO2 e dos lasers de fibra no ponto focal.
Figura 1. Comparação da densidade de potência do CO2 e dos lasers de fibra no ponto focal.
Figura 2. Comparação de absorção entre o CO2 e os lasers de fibra com base no comprimento de onda e na espessura.
Figura 2. Comparação de absorção entre o CO2 e os lasers de fibra com base no comprimento de onda e na espessura.

Os benefícios da velocidade são mais profundos quando o nitrogênio é empregado como gás de assistência porque o material fundido é expelido do corte pelo nitrogênio tão rapidamente quanto é derretido. Quanto maior a densidade de potência do feixe laser, mais rápido o material é levado a um estado fundido, mais rápida é a velocidade.

Corte com laser de fibra em peças metálicas com chapa de 3 mm de espessura e abaixo.
Corte com laser de fibra em peças metálicas com chapa de 3 mm de espessura e abaixo.

Utilizando efetivamente os benefícios de velocidade dos lasers de fibra de alta potência, é necessário um planejamento e gerenciamento cuidadoso de todos os processos. Com um rendimento de três a quatro vezes maior e um custo de operação que é metade do laser de CO2, os ganhos financeiros podem mudar. Os resultados são um menor custo por peça, maiores margens de lucro potenciais e menor tempo de retorno sobre o investimento. Não esqueçamos o benefício adicional do aumento da capacidade da máquina agora que você está processando volumes normais de peças muito mais rapidamente, proporcionando a oportunidade de assumir trabalho adicional para aumentar ainda mais sua receita de vendas e lucros.

O laser de fibra pode cortar cobre, latão e alumínio muito melhor e com mais segurança do que o CO2 porque o feixe é mais facilmente absorvido e não refletido. Os custos operacionais do laser de fibra são normalmente metade do que um sistema de CO2 pode oferecer devido ao menor consumo elétrico e à alta eficiência elétrica dos lasers de fibra.

Um dos últimos avanços no corte a laser de fibra é a adição da tecnologia de “modelagem de feixe” que troca o perfil do feixe para corte de material grosso com oxigênio. Devido o laser de fibra ser entregue através ótica de fibra, o perfil do feixe é inerentemente pequeno e cria um canal estreito assim que focalizado no material. Enquanto isto é vantajoso para a densidade da energia para corte com nitrogênio como gás de assistência, não é o caso quando se tem o oxigênio como gás de assistência. Quando se corta com oxigênio, é preferível um perfil de feixe mais amplo com menor densidade de energia devido isto criar um canal mais largo no material facilitando a expulsão do material fundido. O perfil de feixe mais largo produz velocidades de cote mais rápidas e aumenta a qualidade da borda de corte em materiais grossos. Tecnologia de modelagem do feixe alcança a necessária largura do perfil do feixe para atingir este aumento de performance.

Exemplo de aço carbono de 32mm de espessura cortado a 6 m/min com laser de fibra de 15kw
Exemplo de aço carbono de 32mm de espessura cortado a 6 m/min com laser de fibra de 15kw

Há muitos aspectos da operação de um laser de CO2 que não existem com a operação de um laser de fibra:

  • Um laser de fibra de alta potência é capaz de cortar até 5 vezes mais rápido do que um laser de CO2 convencional e utiliza metade dos custos operacionais.
  • Os lasers de fibra não precisam de nenhum tempo de aquecimento - tipicamente cerca de 10 minutos por partida para um laser de CO2.
  • O laser de fibra não tem manutenção do percurso do feixe, como limpeza do espelho ou das lentes, verificação do fole e alinhamento do feixe. Isto pode consumir mais 4 ou 5 horas por semana para um laser de CO2.
  • Os lasers de fibra óptica têm um caminho de feixe de fibra óptica totalmente selado tanto na fonte de energia como na entrega da fibra ao cabeçote de corte. O feixe não está sujeito a contaminações no trajeto do feixe, como acontece com os lasers de CO2.
  • Os caminhos do feixe de fibra óptica mantêm uma centralização consistente do feixe de bico.

Como a integridade do feixe de fibra permanece consistente todos os dias, bem como os parâmetros de corte, exige muito menos ajustes do que um laser de CO2.

Peças metálicas com espessas maiores que 6 mm cortadas com um laser de fibra.
Peças metálicas com espessas maiores que 6 mm cortadas com um laser de fibra.

O que acontece com todo esse tempo economizado? Maior produtividade e maior capacidade das máquinas! Com o laser de fibra, velocidades de corte cinco vezes mais rápidas se tronam possíveis, gerando de três a quatro vezes mais peças por unidade de tempo e, juntamente com 50% de custos operacionais mais baixos em comparação com o CO2, isto representa uma grande oportunidade baseada em ter criado maior capacidade de máquina.

Se você estiver operando vários lasers, talvez você possa considerar a substituição de duas máquinas de corte a laser CO2 por um laser de fibra?

A questão de qual tecnologia é adequada para você se resume realmente à sua operação. Em que medida o sistema se adapta à sua aplicação particular? Quanto mais rápido e quanto mais rentável suas peças serão produzidas? Com isto em mente, será necessário fazer uma análise cuidadosa dos dados pertinentes, incluindo faixa de aplicação, custos operacionais, produção, custo de propriedade e, é claro, os custos de investimento.

Qualquer que seja a conclusão final, não se esqueça do impacto deste investimento em seus processos subsequentes: Que efeito tem a adição deste novo sistema de corte a laser no fluxo de operações antes e depois do corte das peças?

Certamente sabendo e preparando com antecedência que os sistemas do escritório de geração de ofertas precisarão acompanhar a produtividade do laser de fibra, ajuda os proprietários de máquinas com laser de fibra a ajustar seus processos para acompanhar o corte a laser de fibra, em vez de esperar por trabalhos adicionais. Saber que os materiais precisarão ser apresentados ao laser de Fibra de forma oportuna impulsionará uma nova eficiência no manuseio e inventário de materiais. Sabendo que o aumento do volume de peças cortadas precisa ser atendido com capacidade adicional de dobra, ajudará a preparar a área de dobra para o aumento do volume. Para os fabricantes que utilizam sistemas de corte a laser CO2, fazer a mudança para a tecnologia Fiber representa uma enorme janela de oportunidade que não pode ser negligenciada.

Sobre o Autor

Frank Arteaga é Diretor de Marketing - Região de Mercado Américas, Bystronic Inc.

Publicado originalmente em julho de 2013. Revisado em janeiro de 2021.

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