Análise da movimentação síncrona e simultânea entre scanner galvanométrico e eixos lineares em aplicações laser

Abstract

A constante evolução da tecnologia laser tem permitido seu emprego em diferentes áreas. Fontes de laser cada vez mais eficientes e a redução de custo promovem grande expansão de uso no processamento de materiais. Scanners galvanométricos são comumente utilizados para atingir velocidades de deslocamentos de vários metros por segundo na movimentação do feixe de laser. No entanto, estes dispositivos apresentam um alcance de processamento limitado a dezenas ou centenas de milímetros na maioria dos casos. Este trabalho aborda a influência dos parâmetros e da estratégia de varredura em um sistema de movimentação síncrona e simultânea composto por um scanner galvanométrico 2D e dois eixos lineares. Foram realizados ensaios para verificar a influência dos parâmetros de movimentação sobre o tempo total de processamento. Para investigar a influência da estratégia de varredura, foi medida a variação da temperatura ao longo do perfil longitudinal de uma amostra. A análise da distribuição de temperatura ao longo do percurso de processamento tem objetivo de avaliar a entrega da energia pelo laser em função do caminho percorrido pelo feixe. Os resultados mostram que o tempo de processamento depende da relação entre a área de atuação do scanner e a amplitude dos elementos geométricos processados. Quando os vetores de movimentação são superiores a área de atuação do scanner, a demanda por movimentação dos eixos lineares aumenta. Nesta condição, a velocidade limitada dos eixos lineares pode apresentar maior significância sobre o tempo de processamento que a própria velocidade do scanner. A estratégia de varredura, por sua vez, apresenta influência direta sobre a distribuição espacial e temporal da energia entregue. Estratégias com varreduras do tipo bidirecional apresentam equilíbrio entre o tempo de processamento e a concentração de energia que resulta na elevação pontual da temperatura. A estratégia espiral permite atingir tempos de processamento cerca de 10 % inferiores se comparada com as estratégias anteriores, porém com picos de temperatura 40 % maiores. Estratégias baseadas na subdivisão da área a ser processada em áreas menores ou na execução aleatória dos vetores demandam tempos de processamento em média 67 % maiores, contudo, promovem ao menos 15 % de redução nos patamares de concentração de energia se comparadas as estratégias bidirecionais. A combinação dos parâmetros de movimentação bem como a estratégia de varredura utilizada são importantes fatores que contribuem para o correto desempenho da movimentação síncrona e simultânea entre scanner galvanométrico e eixos lineares.

Abstract: The constant evolution of laser technology has allowed its use in different areas. More efficient laser sources and cost reduction promote major expansion of its use in materials processing. Galvanometer scanners are commonly used to achieve displacement speeds of several meters per second for moving the laser beam. However, these devices have a processing range limited to tens or hundreds of millimeters in most cases. This thesis analyses the influence of the parameters and scanning strategy in a synchronous and simultaneous motion system consisting of a galvanometer scanner 2D and two linear stages. Tests are performed to verify the influence of movement parameters on the total processing time. To investigate the influence of the scanning strategy, the temperature variation along the longitudinal profile of a sample was measured. The temperature distribution analysis along the processing path evaluates the delivery of energy by the laser depending on the path taken by the laser beam. The results show that the processing time depends on the relationship between the scanner's operating area and the amplitude of the processed geometric elements. When motion vectors are larger than the scanner's area, the demand for linear stage motion increases. In this condition, the limited speed of the linear stage may be more significant to the processing time than the scanner speed itself. The scanning strategy has a direct influence on the spatial and temporal distribution of the energy delivered during processing. Strategies with bidirectional scanning present a balance between the processing time and the energy concentration that results in the temperature rise. The spiral strategy, achieves processing time about 10 % lower compared to previous strategies, but with 40 % higher temperature peaks. Strategies based on the subdivision of the area to be processed or on the random execution of the vectors require 67 % longer processing times, however, promote at least 15 % reduction in energy concentration levels when compared to bidirectional strategies. The combination of the movement parameters as well as the scanning strategy used are important factors that contribute to the correct performance of synchronous and simultaneous movement between galvanometer scanner and linear stages.