Laser de fibra – Funções e áreas de aplicação

• Definição: Lasers de estado sólido que conduzem a luz dentro de fibras ópticas de vidro, normalmente dopadas com elementos raros. 

• Principais atributos: Precisão excepcional, alta eficiência, versatilidade e robustez. 

• Aplicações: Gravação/marcação minuciosa 

• Vantagens: Design compacto, eficiência energética, alta durabilidade, baixa manutenção, processamento sem contato 

• Limitações: Não indicado para materiais orgânicos, como madeira, materiais transparentes (vidro transparente)  ou alguns plásticos 

A tecnologia laser como revolucionou o processamento de materiais nos segmentos de manufatura e design. De todos os tipos de lasers, os lasers de fibra se destacam por sua precisão, eficiência e flexibilidade nas aplicações de marcação. Este guia apresenta os lasers de fibra, suas vantagens, aplicações comuns e considerações de segurança importantes na hora de escolher uma nova máquina a laser. 

Explore as máquinas a laser

O laser de fibra é um laser de estado sólido em que o feixe de laser e a luz da fonte de bombeamento são conduzidos dentro de fibras ópticas de vidro. O meio ativo do laser é a área transversal interna da fibra de vidro, geralmente dopada com um elemento raro, como o itérbio. 

Para explicar mais detalhadamente: os diodos de laser fornecem energia, levando a luz (por exemplo, em 915 nm, 977 nm ou 1064 nm) para a fibra de vidro dopada por meio de fibras ópticas. Essas fibras ópticas se conectam por um processo de soldagem de vidro que elimina percursos abertos para a luz da fonte de bombeamento ou do laser. O resultado são lasers de fibra excepcionalmente resistentes a contaminação e vibrações. 

A maioria dos lasers de fibra para marcação e gravação são lasers de fibra pulsados, geralmente do tipo MOPA (Master Oscillator Power Amplifier). Essa amplificação de passagem única em uma fibra espiral permite uma grande faixa de amplificação e alto ganho em um volume compacto. 

Os lasers de fibra pulsados normalmente têm uma potência de pico de 10kW a 20kW e uma potência de saída média de 10W-100W, o que os torna adequados para diversas tarefas que exigem precisão. Sua alta qualidade de feixe e excelente foco permitem várias aplicações: 

• Gravação e marcação complexas: Os lasers de fibra são excelentes para marcações permanentes e de alto contraste em metais, determinados plásticos e cerâmicas. Com eles, é possível gravar e marcar padrões detalhados em alta resolução com facilidade, sendo perfeitos para a aplicação de desenhos, textos, logotipos ou números de série. Gravações profundas também são totalmente possíveis com lasers de fibra graças à sua densidade de potência especial. Assim, as máquinas a laser de fibra da Trotec permitem uma infinidade de aplicações nas mais diversas indústrias, desde joalheria até automotiva.    
• Outras aplicações gerais de lasers de fibra: Alguns lasers de fibra também podem ser usados para soldagem ou limpeza de superfícies. E seu uso está se expandindo a cada dia em outras áreas. 

Ao buscar um sistema a laser, você se deparará com várias tecnologias. E escolher a tecnologia ideal para o seu caso de uso pode ser uma tarefa árdua. O comparativo a seguir traz uma visão geral das diferenças entre os tipos de lasers. 

Laser de fibra vs. Laser de CO2: 

• Velocidade e materiais: Com um comprimento de onda de 1,064 micrômetros, os lasers de fibra produzem um diâmetro focal extremamente pequeno, o que resulta em uma intensidade até 100 vezes maior do que a obtida com lasers de CO2 com a mesma potência média emitida. Portanto, os lasers de fibra são ideais para marcação de metal por recozimento, gravação de metal e marcações de plástico de alto contraste.  

•  Os lasers de CO2, por sua vez, apresentam um comprimento de onda mais longo, sendo ideais para cortar, gravar e marcar materiais não metálicos, como madeira, acrílico, couro, papel, tecidos e vidro. 

• Precisão e qualidade do feixe: Os lasers de fibra geralmente oferecem maior precisão e um feixe de qualidade mais alta, resultando em bordas de corte mais lisas em metais. 

• Manutenção e durabilidade: Os lasers de fibra costumam apresentar uma maior durabilidade e exigem pouca manutenção devido à marcação e gravação sem contato e à ausência de peças de desgaste.

Laser de fibra vs. Laser Nd:YAG: 

• Casos de uso: Os lasers de fibra pulsados substituíram parcialmente os tradicionais lasers YAG em muitas aplicações, especialmente de marcação e gravação. Em geral, os lasers de fibra são mais adequados para metalurgia industrial e produção de alta velocidade. 

• Pulso: Os lasers YAG podem alcançar potências de pico mais altas (30 a 100kW), em comparação com 10kW a 20kW dos lasers de fibra. 

• Usabilidade: Os lasers de fibra oferecem vantagens significativas em termos de design compacto, robustez, durabilidade e custo-benefício geral. 

Laser de fibra vs. Laser de diodo  

• Versatilidade de materiais e aplicações: Normalmente, os lasers de fibra operam em 1064 nm. Esse comprimento de onda é altamente absorvido pelos metais, o que torna os lasers de fibra ideais para a marcação de metais e determinados plásticos. Os lasers de diodo geralmente operam em 450 nm (luz azul) ou, às vezes, em torno de 808-980 nm (infravermelho), dependendo do tipo de diodo. Os diodos azuis (450 nm) são bem absorvidos por materiais orgânicos, como madeira, couro e alguns plásticos, além de conseguirem marcar alguns metais. Assim, o laser de fibra é usado principalmente para finalidades especiais na marcação de metais e plásticos, enquanto o laser de diodo oferece maior versatilidade em diferentes materiais. 

• Gravação profunda em metais: Os lasers de fibra são os mais indicados para gravação profunda em metais; os lasers de diodo não conseguem atingir a mesma profundidade de marcação no material. 

• Orçamento: Sistemas a laser de diodo (como a Speedy 100 cross ) geralmente oferecem uma área de marcação maior a um custo menor, em comparação com muitos sistemas a laser de fibra galvo.  

A energia é fornecida por diodos de laser, que levam a luz (geralmente 915 nm ou 977 nm) à fibra de vidro dopada por meio de fibras ópticas. As fibras ópticas são interconectadas por soldagem de vidro, o que muitas vezes elimina rotas abertas para a luz da fonte de bombeamento ou do laser (vide Figura 1). O resultado são lasers de fibra relativamente insensíveis a contaminações e vibrações. Como são separados espacialmente uns dos outros e cada um tem seu próprio dissipador de calor, a vida útil dos diodos para bombeamento é alta. Desde que a potência de pico dos pulsos de laser seja mantida abaixo de 10 a 20 kW, a vida útil geral pode chegar a milhares de horas. Existem lasers de fibra de onda contínua (CW) e lasers de fibra pulsados. A seguir, trataremos somente dos lasers de fibra pulsados, uma vez que são os mais adequados para aplicações de marcação e gravação. As durações dos pulsos são normalmente em torno de 100 nanossegundos – é possível alcançar pulsos mais curtos de apenas alguns nanossegundos, mas somente com uma energia de pulso significativamente menor.

Os lasers de fibra pulsados do tipo “MOPA” consistem em um “oscilador mestre” (também chamado de “laser de semente”) e um “amplificador de potência” ligado à fibra. O oscilador é um laser de diodo ou um “laser em chip” com uma potência média de alguns miliwatts, alcançando um máximo de cerca de 150 mW. O laser emite pulsos com um formato definido. O “laser em chip” aloja um laser em um único chip – o meio ativo do laser, refletores e outros componentes ópticos geralmente são não apenas integrados, mas construídos em estruturas monolíticas. O amplificador consiste em uma fibra de vidro dopada com itérbio, que é energizada por meio de diodos para bombeamento ligados à fibra. Se um pulso de laser tiver que ser gerado, os diodos vão primeiro carregar (inversão de população) a fibra do amplificador. Antes que a fibra descarregue por emissão espontânea, o laser de semente emite um pulso que é amplificado de algumas centenas a milhares de vezes à medida que passa pela fibra. A amplificação ocorre em uma única passagem (“amplificador de passagem única”). A fibra geralmente está em espiral – assim, em um pequeno volume, é possível obter uma grande faixa de amplificação e, consequentemente, um alto ganho.

Uma vantagem significativa dos lasers de fibra é sua impressionante durabilidade. Os diodos para bombeamento separados espacialmente, cada um com seu próprio dissipador de calor, contribuem para uma alta vida útil desses componentes essenciais. Em geral, os lasers de fibra suportam de 50.000 a 100.000 horas de operação antes de precisar de uma grande manutenção ou de apresentar uma deterioração significativa. Essa vida útil prolongada os torna um investimento inteligente de longo prazo. 

Os lasers de fibra oferecem vários benefícios interessantes: 

• Marcações rápidas e de alta qualidade, especialmente em metais e plásticos 
• Alta precisão também em marcações finas e detalhadas 
• Design compacto e que dispensa manutenção: A grande área de superfície e o baixo volume das fibras de vidro permitem um resfriamento eficaz, contribuindo para um design compacto, robusto e praticamente livre de manutenção. 
• Eficiência energética: Eles apresentam alta eficiência eletro-óptica (acima de 20%), o que resulta em menores custos de energia e redução do calor residual durante a operação. 
• Custos gerais mais baixos: Em comparação com os antigos lasers YAG, os lasers de fibra têm custos gerais de operação significativamente menores para aplicações semelhantes, o que os torna uma opção mais econômica a longo prazo. 
• Resistência à contaminação: A orientação interna da luz da fonte de bombeamento e do laser dentro das fibras ópticas, obtida por meio de emendas precisas, elimina percursos abertos, tornando-as altamente resistentes à poeira e a outros contaminantes. 

Apesar de seus vastos recursos, os lasers de fibra têm limitações relacionadas à compatibilidade de materiais: 

• Materiais transparentes: Materiais como vidro transparente são um desafio para os lasers de fibra. O comprimento de onda dos lasers de fibra não é prontamente absorvido por materiais transparentes, o que leva a resultados ruins ou inexistentes de gravação/corte.  
• Madeira: Os lasers de fibra não são indicados para corte ou gravação profunda de madeira. A estrutura orgânica e irregular da madeira geralmente leva a resultados inconsistentes ou inexistentes. Nessa situação, os lasers de CO2 são geralmente a opção preferida para corte ou gravação. 
• Determinados plásticos: De maneira geral, é possível obter bons resultados de marcação em plásticos com um laser de fibra. Os pigmentos no plástico criam uma coloração mais clara ou mais escura, dependendo da pigmentação: os pigmentos escuros resultam em uma coloração mais clara e os plásticos mais claros alcançam uma coloração mais escura. Por outro lado, alguns plásticos não podem ser marcados devido à sua sensibilidade ao calor, que depende muito da composição do plástico.   
• Materiais com risco de danos às fibras: A geração de pulsos com duração muito curta e a alta energia pode criar intensidades de pico extremamente altas dentro da pequena seção transversal da fibra de vidro, o que pode danificar a fibra ao formar “centros de cor”. 
• Outros materiais não indicados: Materiais com cromo (VI) em sua composição, como alguns couros, fibras de carbono, PVC, PVB, PTFE (Teflon) e óxido de berílio, nunca devem ser processados a laser devido à liberação de vapores tóxicos.

Os lasers de fibra emitem radiação intensa que pode ser prejudicial. Por isso, a segurança é fundamental ao operar qualquer sistema a laser. Os principais pontos de segurança incluem: 

• Proteção dos olhos e da pele: A exposição direta ao feixe de laser pode causar danos graves e permanentes aos olhos ou queimaduras na pele. Mesmo assim, nenhum requisito de proteção adicional, como óculos de segurança apropriados para laser, é necessário com as máquinas a laser da Trotec, uma vez que os sistemas são fornecidos apenas lasers de classe 2.  
• Vapores e partículas: O corte a laser de fibra, especialmente de metais, produz vapores, poeira e partículas. Por isso, sistemas adequados de ventilação e extração são essenciais para evitar riscos de inalação e manter um ambiente de trabalho seguro. 
• Perigos de incêndio: O calor intenso pode incendiar materiais inflamáveis. Por isso, é necessário garantir que não haja materiais combustíveis em seu espaço de trabalho. 

Observar essas precauções, bem como protocolos de segurança rigorosos, é fundamental para proteger os operadores e as pessoas nas proximidades. 

Considerando sua alta eficiência, durabilidade e precisão excepcional em metais e plásticos, os lasers de fibra costumam ser um investimento muito bom. Os benefícios em termos de velocidade, qualidade e versatilidade de um laser de fibra de alta qualidade quase sempre justificam o investimento, especialmente para empresas voltadas para o processamento de metais e aplicações de alta precisão. 

Se as suas principais necessidades envolvem gravação ou marcação de metais com precisão e velocidade incomparáveis, ou se você precisa de um sistema robusto com manutenção mínima e longa vida útil, um sistema a laser de fibra é ideal para você. Ainda assim, sempre considere seus requisitos específicos quanto a materiais e aplicações. Além disso, nossos especialistas estão sempre dispostos a ajudá-lo em seu processo de tomada de decisão ou a responder a quaisquer dúvidas que você possa ter. 

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