Sistemas Galvo Laser Azul Autônomos e Integráveis

Aplicações dos Sistemas de Gravação a Laser Galvo Azul

Os Sistemas de Gravação a Laser Galvo Azul encontram aplicação em uma ampla variedade de indústrias. Embora aplicações industriais que exijam processamento rápido de materiais sejam comuns, esses sistemas também são utilizados em agricultura, área médica e pesquisa. A lista de aplicações continua a expandir-se, com novos usos surgindo a cada ano. Aplicações populares incluem rotulagem a laser de alimentos, frutas e vegetais; processamento a laser de plantas, culturas e ervas daninhas; gravação em madeira, cerâmica, plásticos e metais;

Vantagens do Galvo Laser Azul em Detalhe

Diferentemente de outros tipos de gravadores galvo a laser, um gravador galvo azul (ou seja, um gravador galvo com módulo laser em comprimento de onda entre 445 nm e 450 nm) oferece precisão e eficiência de processo inigualáveis. A eficiência do processo de gravação para qualquer galvo a laser depende de dois principais parâmetros:

1. Eficiência de Conversão Eletro-Óptica do Gravador Galvo Laser.

Este primeiro parâmetro descreve quanta energia elétrica um gravador galvo consome para produzir uma determinada potência óptica de saída.

Tanto lasers galvo azul quanto lasers galvo de fibra possuem eficiência de conversão eletro-óptica comparável de 25-30 por cento, enquanto um galvo de CO2 apresenta eficiência de apenas 6-7 por cento. Mais importante, esta eficiência de 6,5% considera apenas a eficiência no tubo do laser de CO2, não contabilizando o chiller, que possui alto consumo elétrico. Assim, na prática, a eficiência de um laser de CO2 é ainda menor.

Um chiller típico para um galvo de CO2 possui COP (coeficiente de desempenho) de 3 a 5. O valor do COP indica a razão entre calor dissipado e energia elétrica consumida pelo chiller. Com eficiência de conversão eletro-óptica do tubo do laser de CO2 em 6,5%, isto significa que um galvo de CO2 de 3.000 kW (3.000 Watts de consumo) entrega 195 Watts de potência óptica. E 2.805 Watts de energia elétrica são dissipados em forma de calor, o que deve ser removido pelo chiller. Com COP de 3-5, isto significa que um chiller para laser de CO2 de 3 kW consumirá entre 935 e 561 Watts adicionais. Assim, a eficiência total eletro-óptica de um sistema galvo laser de CO2 varia de 4,96 por cento (=195/3935) a 5,48% (=195/3561).

Em comparação, lasers galvo de fibra e galvo azul apresentam eficiência total eletro-óptica de 20-25%.

Considerando um período de 10.000 horas de trabalho e um valor de kWh de $0,24, um único laser de CO2 de 200 W (com consumo de 3.935 W) consome $9.444 extras em energia elétrica. No mesmo período de 10.000 horas, um gravador galvo com módulo laser azul de 200 W consome apenas $1.920–$2.880 em eletricidade. Analogamente, um galvo azul de 50 W consome $480–$720 em 10.000 horas de funcionamento. Com esses custos operacionais, utilizar um gravador galvo azul em uma linha de produção é mais eficiente do que um galvo de CO2, mesmo se o comprimento de onda do CO2 tiver taxa de absorção 40% maior. Assim, é possível utilizar dois (ou mais) galvos laser azul no lugar de um único galvo laser de CO2, com maior rendimento de produção e economia.

2. Absorção do Material Gravado ao Comprimento de Onda do Galvo Laser

O segundo parâmetro descreve quanto da potência do feixe laser incidente é absorvida e convertida em trabalho útil. Isso varia conforme o material, porém, para a maioria deles, o comprimento de onda do galvo laser azul apresenta absorção superior ao dos lasers galvo de fibra e CO2.

Este fato é especialmente marcante em cerâmicas técnicas, tais como Alumina (Al₂O₃), Carbeto de Boro (B₄C), Carbeto de Silício (SiC), Diboreto de Titânio (TiB₂) e Carboneto de Tungstênio (WC). Em cerâmicas técnicas, a absorção no comprimento de onda do galvo laser azul cresce exponencialmente com a temperatura. Na prática, próximo ao ponto de fusão, a absorção do comprimento de onda azul, em 6H-SiC, pode ser até 6.000 vezes maior que no comprimento de onda do CO2.

Desempenho do Galvo Laser para Diferentes Aplicações de Gravação

Gravadores Galvo Laser em Madeira e Materiais à Base de Madeira

Para madeira e materiais derivados, o gravador galvo azul (445–450 nm) oferece o melhor desempenho. Isso se deve ao custo operacional muito mais elevado do laser de CO2, que se torna uma opção mais onerosa a longo prazo. Lasers galvo de fibra apresentam o pior desempenho nesta aplicação devido à baixa absorção nesses substratos, quando comparados aos outros dois tipos principais de galvo laser.

Estudo de Caso: Gravação Galvo Laser em Compensado, Madeira de Pinus e Faia

O vídeo abaixo mostra um gravador galvo azul de 30 W na gravação a laser de uma peça de compensado. Com dimensões de 8 cm por 2 cm (3,15 x 0,8 polegadas), a gravação é realizada em aproximadamente 1 segundo com o galvo azul da Opt Lasers.

O gravador galvo azul apresenta eficiência de 20-25% e, com base em artigos científicos, o comprimento de onda azul de 445–450 nm apresenta taxa de absorção de 68% e 73% em pinus e faia, respectivamente. Um gravador galvo de CO2 possui eficiência total de 5% e seu comprimento de onda tem taxa de absorção de 85% e 88% nos mesmos materiais. Portanto, uma simples análise mostra que o galvo laser azul é aproximadamente 3,4 vezes mais eficiente que o galvo de CO2 para o mesmo consumo energético. O gráfico, proveniente do artigo acadêmico citado, mostra as taxas de absorção para esses materiais.

Gravadores Galvo Laser em Couro

A gravação a laser em couro é mais eficiente quando realizada com galvo laser azul. Utilizar galvo laser de CO2 neste material resulta em marcas de queimadura, menor velocidade do processo e maiores custos. Um galvo de fibra de 1,06 µm apresenta o pior desempenho, pois 80% do feixe laser é refletido na superfície do couro.

Estudo de Caso: Gravação Galvo Laser em Couro

Abaixo, um vídeo mostra o processo de gravação em couro com um galvo laser azul de 30 W. A gravação é efetuada em menos de um segundo.

Pesquisas acadêmicas demonstraram que a reflexão do comprimento de onda azul em 445 nm fica em 12% para o feixe laser azul e aproximadamente 62% para o feixe laser de fibra de 1,06 µm. Como o azul é visível ao olho humano, isto significa que a taxa de absorção do feixe azul em couro é de 88%. Apenas 38% no máximo do feixe de fibra de 1,06 µm pode ser absorvido no couro, o que garante que o gravador galvo de fibra de 1,06 µm terá desempenho inferior na gravação deste material.

De fato, qualquer laser com comprimento de onda superior a 550 nm terá desempenho inferior ao laser azul em aplicações de gravação a laser em couro.

Lasers galvo de fibra apresentarão desempenho inferior ao galvo laser azul na gravação da maioria das variedades de couro natural de mamíferos e répteis. Essas variedades de couro incluem couro de animais como porco, bovino, ovino, lagarto, cobra e crocodilo. Embora os lasers galvo de fibra possuam maior taxa de absorção de comprimento de onda em couro regenerado e couro de veado, seu desempenho pode ser apenas equivalente ao de um galvo laser azul na gravação em couro de cervídeo.

Embora não haja dados de absorção (ou reflexão) para comprimentos de onda superiores a 2,5 µm, pode-se assumir que o comportamento da absorção para comprimentos de onda mais longos segue o padrão de absorção da melanina, que é um pigmento natural encontrado na maioria dos organismos e o principal determinante da cor da pele. A imagem abaixo demonstra que a absorção da melanina diminui com o aumento do comprimento de onda do laser. Além disso, o artigo da Universidade de Cambridge sobre melanina, de onde se origina este gráfico, afirma que a absorção na melanina é quase completamente atenuada para comprimentos de onda superiores a 700 nm.

Galvo Laser Engravers em Metais

Os metais diferem das demais aplicações de galvo laser devido à sua elevada condutividade térmica. Por esse motivo, para gravar eficientemente um material metálico, é necessário utilizar um feixe laser altamente focalizado com alta densidade de potência ou um laser com alta energia de pulso. Além disso, o material metálico em questão deve apresentar alta taxa de absorção para o comprimento de onda do seu laser. Isso significa que os lasers mais eficientes para gravação em metais são os galvo laser azul de alta potência, galvo laser de fibra pulsado, bem como cabeçotes de laser azul com alta densidade de potência óptica. Os lasers galvo de CO2, por outro lado, são altamente ineficazes para gravação em metais.

Estudo de Caso: Gravação de Metais com Galvo Laser

Os dois vídeos apresentam um galvo laser azul marcando aço inoxidável e aço ferramenta.

As taxas de absorção variam de metal para metal, conforme indicado no gráfico abaixo. O gráfico apresenta as taxas de absorção, para comprimentos de onda entre 200 nm e 12,8 µm, dos metais mais utilizados, tais como Cobre, Ouro, Titânio, Alumínio (não anodizado), Níquel e Prata.

Outro gráfico, apresentado a seguir, mostra as taxas de reflexão para diversos metais. Além dos materiais apresentados no gráfico anterior, ilustra o comportamento de metais adicionais, como Ferro puro, Tungstênio, Platina, Cromo, Berílio e Molibdênio. Contudo, é importante frisar que o gráfico de refletância a seguir considera superfícies metálicas perfeitamente polidas, pois quanto menos polida for a superfície, maior será a absorção de comprimentos de onda de laser mais curtos.

A partir dos dados apresentados nos dois gráficos acima, conclui-se que o galvo laser azul será mais eficiente do que lasers galvo de comprimento de onda mais longo para gravação em todos os metais citados, exceto pelo cromo. Os metais para os quais o galvo laser azul será criticamente mais eficiente são Ouro, Cobre, Platina e Tungstênio. Interessantemente, um galvo laser azul pode não apenas gravar cobre, mas também realizar micro soldagem de cobre.

Entretanto, no caso de Alumínio não anodizado (e perfeitamente polido), um galvo laser de fibra com comprimento de onda entre 500 nm e 900 nm será uma escolha mais eficaz. O galvo laser azul ainda é mais eficiente para Alumínio não anodizado do que um galvo laser de fibra convencional de 1,06 µm.

Curiosamente, a gravação de Tungstênio com galvo laser azul é uma aplicação altamente eficiente, especialmente se o Tungstênio não estiver polido, como indicado na imagem à direita abaixo. O vídeo à esquerda apresenta um galvo laser azul de 30 W gravando Tungstênio.

Galvo Laser Engravers em Tecidos e Têxteis

Na aplicação de processamento a laser de tecidos e materiais têxteis, o galvo laser azul também é a melhor solução entre os tipos de galvo laser disponíveis. Isso é válido tanto para tecidos naturais quanto artificiais. Lasers galvo de fibra de 1,06 µm apresentam dificuldades com tecidos, pois esses materiais refletem comprimentos de onda do laser de fibra. É possível também gravar e cortar tecidos e têxteis com lasers galvo de CO2, porém a operação ocorre em velocidade muito menor e custos operacionais muito mais elevados do que ao utilizar um galvo laser azul.

Estudo de Caso: Gravação de Tecidos e Têxteis com Galvo Laser

O vídeo abaixo mostra um galvo laser azul de 30 W realizando gravação em algodão, processo que dura apenas uma fração de segundo.

Nos dois gráficos abaixo, é possível ver as taxas de reflexão de comprimentos de onda para diferentes tecidos, como algodão, nylon, rayon, poliéster, acrílico, lã e caxemira. O espectro de comprimentos de onda abordado nos gráficos varia entre 350 nm e 2,35 µm. A taxa de absorção do comprimento de onda do galvo laser azul em 450 nm varia entre 74% e 97%, com taxa típica de absorção de 90%.

É importante destacar, no entanto, que tecidos e têxteis estão disponíveis em diferentes cores. O galvo laser azul realizará gravações mais rapidamente quanto mais escuro for o material. No geral, no caso de laser azul, a velocidade depende da tonalidade e cor específica do tecido ou do material têxtil. Lasers azuis também terão pior desempenho em têxteis e tecidos altamente reflexivos, azuis ou brancos. Mesmo assim, o galvo laser azul é a melhor solução para gravação (e corte) de tecidos e têxteis, superando qualquer laser de CO2 ou laser de fibra.

Galvo Laser Engravers em Alimentos e Materiais Orgânicos

Lasers galvo de fibra e de CO2 apresentam dificuldades para gravar alimentos e a grande maioria de materiais orgânicos. Isso se deve ao alto teor de água desses materiais, geralmente atingindo até 70%. A água absorve a maior parte do espectro de laser, porém permite praticamente a transmissão total de feixes de laser azul, já que o coeficiente de absorção da água é de 3*10^-4 cm-1 para laser de 450 nm. Para comprimento de onda de 1,06 µm, a taxa de absorção é de 6000 cm-1, enquanto para o feixe de laser de CO2 de 10,6 µm a absorção é ainda maior, chegando a 7000000 cm-1. Isso significa que praticamente toda a potência dos feixes de laser de CO2 e fibra é consumida evaporando a água, enquanto o laser azul ignora o conteúdo de água e grava no material orgânico real que se deseja gravar, tornando o processo muito mais rápido.

Além disso, espécies vegetais são altamente absorventes para feixes de galvo laser azul. A taxa de absorção do comprimento de onda do galvo laser azul em vegetação verde pode chegar a 93%, como mostrado no gráfico abaixo.

Entretanto, há materiais orgânicos para os quais outros tipos de galvo laser são indicados. Por exemplo, hidroxilapatita (algumas vezes incorretamente chamada de hidroxiapatita) é um componente importante do esmalte dental. A hidroxilapatita, em forma levemente modificada, também constitui até 70% do osso humano. Como a hidroxilapatita é muito mais facilmente absorvida pelo feixe de laser galvo de CO2 de 10,6 µm, esse tipo de galvo laser será o mais eficiente para corte e gravação em ossos e dentes. O gráfico de absorção de comprimento de onda para compostos como hemoglobina, hidroxilapatita, melanina e água é apresentado abaixo. Ele mostra que o comprimento de onda do galvo laser de 10,6 µm é absorvido 10000 vezes mais do que o comprimento de onda do laser azul.

Contudo, o gráfico acima também mostra que lasers azuis são os feixes mais eficientemente absorvidos pela hemoglobina, o que indica que o galvo laser azul é a solução mais otimizada para procedimentos cirúrgicos.

Galvo Laser Engravers em Cerâmicas

A categoria de cerâmicas inclui tanto cerâmicas industriais, como alumina ou diboreto de titânio, quanto variedades de rochas naturais, como por exemplo bauxita e mármore.

Cerâmicas tendem a responder melhor a comprimentos de onda mais curtos. No entanto, as taxas de absorção para diferentes cerâmicas podem variar consideravelmente, sendo os galvo lasers azuis a melhor solução para cerâmicas técnicas utilizadas em componentes de blindagem. Isso inclui blindagens cerâmicas de tanques e coletes à prova de balas. Algumas das cerâmicas técnicas que são eficientemente gravadas por lasers azuis também são empregadas em munições perfurantes e artilharia. Nas cerâmicas técnicas usadas em componentes de blindagem, a absorção do comprimento de onda do galvo laser azul, em comparação a lasers galvo de comprimento de onda mais longo, cresce exponencialmente com o aumento da temperatura. Essas cerâmicas incluem Alumina (Al2O3), Carbeto de Boro (B4C), Carbeto de Silício (SiC), Diboreto de Titânio (TiB2) e Carbeto de Tungstênio (WC).

Efetivamente, no caso da Alumina fundida, a taxa de absorção aumenta drasticamente para comprimentos de onda mais curtos. A absorção desse material para o comprimento de onda do laser azul chega a ser até 300 vezes superior à absorção do comprimento de onda do laser de fibra, conforme ilustrado pelo gráfico abaixo. [V.K. Bityukov et al., Absorption Coefficient of Molten Aluminum Oxide in Semitransparent Spectral Range, Applied Physics Research, Page 51, Vol. 5, January 2013. DOI: 10.5539/APR.V5N1P51].

Outros tipos de galvo lasers costumam apresentar dificuldades com esses materiais. Um galvo laser de fibra, embora com desempenho inferior ao do galvo laser azul, frequentemente obtém melhores resultados do que um galvo laser de CO2, com exceção da cerâmica de alumina. Mesmo assim, para essas cerâmicas técnicas, o galvo laser azul proporciona um aumento drástico da produtividade industrial.

O gráfico abaixo mostra as taxas de absorção de diferentes galvo lasers em função do carbeto de silício. É importante notar que cada aumento de 300 graus Kelvin corresponde, aproximadamente, a um deslocamento de 0,2 eV na absorção em direção a comprimentos de onda mais curtos.

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