Three-dimensional laser beam micro-machining: methodology, development and implementation

Abstract

Por se tratar de uma ferramenta única, com diversas aplicações em diferentes áreas da engenharia, o laser se tornou uma escolha para muitos fabricantes. A usinagem com feixe Laser (Laser Beam Machining - LBM) é um dos muitos campos que se desenvolveram rapidamente. O LBM é um dos processos avançados de usinagem sem contato de energia térmica mais amplamente utilizados, que pode ser aplicado em uma gama completa de materiais, sendo alguns nem mesmo usináveis com processos de fabricação convencionais. Neste trabalho é apresentado e conduzido de forma lógica e eficiente um método em quatro etapas de micro-usinagem de superfície 3D por meio de LBM 3D, utilizando ablação camada por camada. Dois materiais diferentes são utilizados, aço inoxidável SAE304 e cobre, com propriedades térmicas díspares. Durante o trabalho, é feita uma investigação sobre a influência dos parâmetros na micro-usinagem por LBM. Os principais parâmetros estudados são sobreposição, velocidade de varredura, potência do Laser, forma de onda Laser, offset Z (posição focal em relação à superfície da peça). Em ambos os materiais foi possível notar um padrão para os diâmetros da cratera gerados pelos feixes de Laser onde, quanto maior a potência do Laser, maior o tamanho da cratera. Além disso, o tamanho da cratera aumentou com o aumento da posição vertical do scanner até o foco (ZO 0,00 mm), então ele diminui proporcionalmente. Ademais, o presente trabalho apresenta uma análise da eficiência, profundidade e volume de material removido por passagem (MRD/NP e MRV/NP), além de uma análise estatística da influência dos parâmetros. Os resultados mostram que a profundidade e o volume do material removido são influenciados pelos efeitos cumulativos. O número de passes não aumenta proporcionalmente com o material removido, na verdade, o que se observa é o contrário. Ainda, a mudança no Z-offset não causou efeito na eficiência média do SAE 304. O experimento realizado neste trabalho concluiu com sucesso a usinagem de uma estrutura 3D utilizando LBM com eixo Z controlável.

Abstract: Over the past decades, the Laser has become the tool of choice for many manufacturers, as it is a unique tool which has been applied in many engineering applications. Laser beam machining (LBM) is one of the many fields that have developed rapidly. LBM is one of the most widely used thermal energy based non-contact type advanced machining process which can be applied for almost complete range of materials with some that are not even machinable with conventional manufacturing processes. In this work a method of forming a 3D surface microgeometry by means of 3D LBM using layer-by-layer ablation, in four stages, is presented and conducted in a logical and efficient way. Two different materials, stainless steel 304 and copper, with very different thermal proprieties are used. During the work an investigation of parameter influence in LBM is conducted. The main parameters studied are overlapping, scan speed, Laser power, Laser waveform, Z-offset (focal position relative to the part surface). In both materials, it was possible to notice a pattern for the crater diameters, where the higher the Laser power, the bigger the crater size. Additionally, the crater size increased with the increasing vertical position of the scanner until focus (ZO 0.00 mm), then it decreases proportionally. Moreover, an analysis of efficiency and productivity, material removed depth and volume per passes (MRD/NP and MRV/NP) is presented. The results shows that the material removed depth and volume are influenced by the accumulative effects. The number of passes does not proportionality increase the material removed, in fact, the opposite can be observed. Also, Z-offset caused almost null effect in the mean efficiency of SAE 304. The experiment performed in this paper successfully completed the machining of a 3D structure using LBM with controllable Z-axis.