Tecnologia laser - Potencial e oportunidades

Tecnologia Laser:

Potencial e Oportunidades

Workshop com a Indústria

FIESC/SENAI-SC

Instituto SENAI de Inovação em Tecnologias Laser

Dr.-Ing. Alberto Xavier Pavim

Florianópolis, 24 de Setembro de 2012

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Conclusões Finais 4

Mercado: Oportunidades e Tendências para Tecnologia Laser 3

Potencial: Aplicações da Tecnologia Laser 2

Introdução: Princípios Fundamentais do Laser 1

Conteúdo

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Princípios Fundamentais do Laser

LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation (pumping)

– Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação

Radiação eletromagnética (visível, IR, UV) através de

amplificação óptica por emissão estimulada de fótons

Emissão estimulada

– Elétrons de átomos interagem com onda eletromagnética de

certa frequência, decrescem em energia, e transferem esta

energia (fóton) para a onda incidente

– Os fótons criados tem a mesma fase, frequência,

polarização e direcionamento da onda incidente

O Laser consiste de:

– Um meio de ganho (material com propriedades

amplificadoras: gás, líquido, sólido, ou plasma)

– Um mecanismo de fornecimento de energia (corrente ou luz)

– Um sistema de realimentação óptica (cavidade óptica: par

de espelhos, onde o espelho de saída é semi-transparente) Fonte: Nasa, Força Aérea EUA

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Princípios Fundamentais do Laser

Luz Laser: alto grau de coerência espacial e temporal

– Coerência espacial:

Pode ser focado em pequenos pontos com alta

irradiação

Também pode ser transformado (colimado) num feixe de

mínima divergência e de longo alcance

– Coerência temporal:

Onda polarizada em frequência específica

(monocromática) cuja fase não se altera ao longo de

grandes distâncias de propagação

Luz Laser difere-se de luz branca

– Luz de outras fontes dispersa durante propagação

– Luz branca: combinação de outras ondas de luz colorida

Modos de operação

– Modo contínuo (potência de saída é constante no tempo)

– Modo pulsado (potência de saída aparece como pulsos com

certa duração e taxa de repetição definida) Fonte: Nasa, Wikipedia

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Tipos de Fontes de Laser

Lasers de gás

– HeNe, CO2, HeAg, NeCu, Excimer Laser

– Contínuo: mW, W, kW; Pulsado: kW, MW

Lasers de estado sólido

– Utilizam cristal/vidro como meio de ganho

– Contínuo: mW – kW; Pulsado: até GW e PW

Fiber Lasers

– Lasers de estado sólido: luz guiada por meio de fibra óptica

– Contínuo: W – kW; Pulsado: até GW

Lasers semicondutores (Diode Lasers)

– Diodos ativados através de corrente elétrica

– Contínuo: mW – W; Pulsado: W – kW

Dye Lasers (Lasers corantes)

– Utilizam corantes orgânicos como meio de ganho

– Contínuo: mW – W Fonte: Fraunhofer ILT, LZH, Rofin, ATM

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Aspectos de Segurança para Aplicações Laser

Mesmo Lasers de baixa potência (poucos miliwatts)

podem oferecer riscos à saúde humana

Classificação de acordo com níveis de segurança, que

definem o potencial de risco envolvido com a fonte Laser:

– Classe 1: inerentemente seguro, já que o laser é de baixa

potência ou está enclausurado (e.g. CD players)

– Classe 2: seguro durante uso normal. Cor visível. Possui

até 1 mW de potência (e.g. Laser pointers)

– Classe 3A: até 5 mW de potência. Qualquer comprimento

de onda. Oferece riscos pequenos ao olho humano

– Classe 3B: pode causar danos imediatos ao olho humano

– Classe 4: podem queimar a pele e até mesmo partes

dispersas refletidas do feixe de Laser podem ser danosas ao

olho ou pele humana (e.g. corte ou solda com Laser)

Óculos de proteção para absorção do espectro do Laser

Laser Safety Officer (LSO) necessários para 3B e 4

Fonte: Vanderbilt University, OSHA Technical Manual – Laser Safety, ANSI Z136

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Conclusões finais 4




Conteúdo

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Aplicações da Tecnologia Laser

Industrial

Fonte: Looyet, DELL, LG, Westermans, Electromann, LAMPL, Bosch, QES, LZH, Acne Avengers, Lasereyeleeds, Coherent

Leitor de

códigos

Leitor de CD/

DVD/Bluray

Impressora

Laser

Corte a Laser

Soldagem a Laser

Usinagem

assistida

por Laser

Dysplays

Lasers

Termô-

metro

Infra-vermelho

Células Foto-

voltaicas

Direção

Assistida

Montagem

Assistida

Entre

tenim

ento

E

nerg

ia e

Foto

voltaic

os

Pesquisa e Ciência

Militar

Comercial

Automotivo e Aeronáutico Medicina e Saúde

Marcação

à Laser

Canhão Laser

Mira Laser Cirurgia Ocular

Cirurgia

Dentária

Tratamento

Dermatológico

Sistemas Laser

Ultra-rápidos

Modelagem

e Simulação

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Aplicações: Industrial

Corte, perfuração, remoção, ablação

Marcação, gravação, texturização

Solda/união, soldagem com deposição, brasagem

Revestimento, endurecimento, proc. de filmes finos

Conformação

Polimento

Limpeza

Tratamento térmico

Prototipagem rápida, (micro/nano-)estruturação 3D

Metrologia Laser e controle de processos

Processos e sistemas híbridos

Fonte: Fraunhofer ILT

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Fonte: Fraunhofer ILT, LZH

Revestimentos:

manufatura

aditiva

Soldagem (híbrida) de

superfícies metálicas:

Ligas de níquel, cobre,

alumínio e titânio

Corte de

placas

metálicas

finas e

grossas

Micro-união de aço,

cobre e alumínio

Brasagem de aço e

alumínio

Micro e nano-estruturação

por ablação, micro-furação

e corte de ultra-precisão com

fs-Lasers de alta potência

Soldagem de

componentes

elétricos e

interconexões

elétricas de

células

fotovoltaicas

Ablação à Laser de

metais/cerâmicas/vidros

para funcionalização

de superfícies (fricção,

propriedades ópticas etc.)

Tratamento térmico

local e redução de

tensões residuais

Limpeza de superfícies para

eliminar ferrugem ou preparar

para processos de soldagem,

brasagem, união

Nano-

estruturação

3D por

polimerização

de duplo-fóton

Estabilização de processos de

soldagem MIG/MAG e TIG com

radiação Laser de baixa potência

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União de vidros, cerâmicas

e materiais compósitos

Processamento de

fibras de termoplástico

reforçadas

Junção de superfícies

metálicas e plásticas

União seletiva

de vidros:

dysplays e

fotovoltaicos

Prototipagem rápida

por processo SLM

Polimento de superfícies para

fabricação de

ferramentas,

moldes,

implantes,

ópticas

Funcionalização de filmes finos para

óptica e

eletrônica,

protegendo

contra

desgaste

e corrosão

Marcação/gravação de

metais, plásticos e papéis

Marcação e estruturação

Interna em volumes de vidro

e materiais transparentes

Micro-usinagem de polímeros,

células fotovoltaicas orgânicas,

transistores de filmes finos

Funcionalização, estruturação,

corte e soldagem de materiais

compósitos e polímeros

Desenvolvimento de ferramentas Laser

e integração/automação de sistemas

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Aplicações: Metrologia

Metrologia dimensional por Laser

Perfilometria óptica por Laser

Topogrametria e inspeção de superfícies

Interferometria

Espectroscopia

Microscopia

Holografia

Análise de materiais e tensões residuais

Shearografia para inspeção de compósitos

LIDAR

Laser scanner

Segurança

Fonte: LABMETRO

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Aplicações: Metrologia

Fonte: Rockwell Automation, Wikipedia, DLR, Sparkfun, AVT, SOLVing3D, TUDortmund, PMDTech, Sick, Pepperl+Fuchs, Micro-Epsilon, Klostermann, Nikon, WZL

Laser

triangulation

sensor

Laser section

sensor

Laser scanner

Câmera de

Tempo-de-voo

iGPS

Topografia de superfícies

de formas livres

Espectroscopia Raman

ou de fluorescencia

para identificação e

análise de materiais

Segurança de ambientes

industriais robotizados

Orientação de robôs móveis:

aspectos de inteligência

e segurança

Cooperação homem-máquina

e de múltiplos robôs

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Aplicações: Medicina e Saúde

Bio-analítica

Microscopia Laser

Diagnose clínica

Sistemas micro-cirúrgicos

Sistemas micro-fluídicos

Funcionalização biológica

Bio-manufatura

Terapia Laser

Implantes


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Aplicações: Medicina e Saúde


Tecnologia EUV para

diagnósticos clínicos

Superfícies e estruturas

para orientação de células

e crescimento de proteínas

Posicionamento de células

e micro-estruturas 3D

sem contato

Prototipagem rápida de

arcadas dentárias

Endoscópio

Laser para

cirurgia,

fechamento

de feridas e

costura Laser

Micro-cirurgia e formação

de imagens 3D in-vivo

Bio-fabricação:

engenharia de tecidos

Prototipagem rápida de implantes de ligas

de titânio

e de stents

biocompatíveis

com estrutura

porosa

Tratamento dermatológico:

Acnes e remoção de pelos

Cirurgia

de retina

à Laser

Tratamento e cirurgia dentária

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Aplicações: Pesquisa e Ciência

Projeto óptico

Óptica de forma livre

Litografia EUV

Modelagem e Simulação

Sistemas Laser

– Lasers semicondutores

– Lasers de estado sólido

– Lasers ultra-rápidos

– Fiber Lasers

– Lasers UV, VIS e ajustáveis

Packaging

– Dissipação de calor

– Design para montagem (sistema opto-eletro-mecânico)

– Ferramentas pick & place

– Processos de junção Fonte: Fraunhofer ILT

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Aplicações: Pesquisa e Ciência


Design de sistemas

Laser para produção e

montagem automatizada

Design de

sistemas

micro-opto-eletro-mecânicos

Design de sistemas

opto-mecânicos

de alta potência e

métodos automáticos de

alinhamento e montagem

Design de Lasers

semicondutores

de alta potência

e super-pulsados

Protótipos e soluções customizadas para

fins científicos

e industriais

Geração de radiação EUV/XUV

para Lasers

ultra-rápidos

Design de Lasers ajustáveis:

e.g. UV para NIR

Design de

substratos

cerâmicos com

funcionalização

de resfriamento

e contatos elétricos

para junção de compontentes ópticos

Modelagem e simulação

de sistemas ópticos e

processamento Laser

Design de óptica de forma livre para

aplicações

com LEDs,

para e.g.

indústria

automotiva

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Tecnologia Laser na Cadeia de Agregação de Valor

Prototipagem

Manufatura

Montagem

Logística

Reparação

Controle de

Qualidade

Design do

Produto

Metrologia Laser:

■ Assistência para

formação de

modelo 3D (CAD)

Laser SLM:

■ Prototipagem rápida

com impressora

Laser 3D

Laser para: tratamento

térmico, corte, perfuração,

ablação, polimento,

limpeza, revestimento etc.

Laser para:

■ Soldagem

■ Brasagem

■ Demais proc. união

Metrologia Laser:

■ Controle de qualidade

■ Perfilometria óptica

■ Topogrametria etc.

Rastreabilidade:

■ Marcação/gravação

de códigos

■ Leitura de códigos

Reparação com Laser:

■ Limpeza

■ Soldagem

■ Endurecimento

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Conteúdo

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Mercado das Tecnologias Laser: Setores

Engenharia Mecânica

Engenharia Elétrica

Processamento de Materiais: Metais e Plásticos

Engenharia Aeroespacial e Astronáutica

Engenharia Automotiva

Medicina e Saúde

Comércio

Tecnologia da Informação e Comunicação

Entretenimento

Óleo & Gás

Engenharia Civil

Fonte: Fraunhofer ILT, LaserFocusWorld

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Mercado das Tecnologias Laser: Números e Tendências

Mercado de Tecnologia Laser para processamento de

materiais

– Crescimento de 28% em 2011

– Mercado de US$ 10,1 bilhões em 2011

– Estimativa de atingir US$ 19,88 bilhões em 2017

– Asia (China, Coréia, Taiwan), USA, Índia, Brasil

– 2/3 aplicados em macro-processamento: corte, solda,

marcação/gravação

– 1/3 aplicado em micro-processamento: semicondutores,

dysplays de tela plana, PCBs e células fotovoltaicas

– Mercado promissor: fotovoltaicos na América do Sul

Lasers de estado sólido e fiber Lasers predominam sobre

CO2 Lasers (exceção corte de metais)

Possíveis novas aplicações CO2: Tecnologias EUV

Importantes fabricantes: Trumpf, Jenoptik, Coherent,

Rofin-Sinar, GSI Group, Cymer, Gigaphoton

Fonte: Optech Consulting (Arnold Mayer), Optics.org, LaserFocusWorld, PRWeb, MarketPublishers

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Mercado das Tecnologias Laser: Análise dos Setores

Fonte: LaserFocusWorld

Processamento de Materiais Medicina e Estética

Pesquisa, Ciência e Militar Instrumentação e Sensores

Comunicação e Mídias Ópticas Entretenimento e Dysplays

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Rede Internacional de P&D&I em Tecnologias Laser

ILT: Fraunhofer Institut für Lasertechnik (Aachen, DE)

IPT: Fraunhofer Institut für Produktionstechnik (Aachen, DE)

IWS: Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Dresden, DE)

BIAS: Bremer Institut für angewandte Strahltechnik (Bremen, DE)

LZH: Lazerzentrum Hannover (Hannover, DE)

BLZ: Bayerisches Laserzentrum (Furth, DE)

IOM: Institut für Oberflächenmodifizierung (Leipzig, DE)

BAM: Bundesanstalt für Materialforschung (Berlin, DE)

WZL: Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen (Aachen, DE)

IWF: Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung ETH Zürich (Zurique, CH)

PTW: Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen TU Darmstadt

(Darmstadt, DE)

CLT: Center for Laser Technology (Plymouth, USA)

CLFA: Coopération Laser Franco-Allemande (Paris, FR)

ELI: European Laser Institute

LIA: Laser Institute of America

SPIE: The International Society for Optical Engineering

OSHA: Occupational Safety & Health Administration

OSA: Optical Society of America

LASER World of Photonics (Munique, DE)

OptecNet Deutschland e.V.

Fonte: Weingaertner, Fraunhofer ILT, LIA

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Conteúdo

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Conclusões

As Tecnologias Laser, a Óptica e a Fotônica são mercados

extremamente novos e de grande potencial global

– Possibilidade de trabalhar com níveis de exatidão altíssimos

– A velocidade e eficiência de processos aumenta consideravelmente

Distintas fontes de Laser e modos de operação adequam-se a

tipos específicos de aplicação

Aplicações em distintas faixas do espectro eletromagnético

resultam em inovadores processos, produtos e mercados

Podem ser aplicadas em diversas etapas da cadeia de geração

de valor de distintos mercados e setores industriais

Normas e aspectos de segurança são de extrema importância

para a utilização correta e eficiente da tecnologia

Mercados internacionais crescentes e promissores:

– Processamento de materiais, Energia, TIC e Entretenimento,

Medicina e Saúde, Óleo & Gás, Metrologia

Tecnologia de valiosíssimo potencial para ser

introduzida/induzida no Brasil

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Obrigado pela atenção

Fonte: Fraunhofer IPT

Contato

Dr.-Ing. Alberto Xavier Pavim

Email: [email protected]

Telefone: 61 3317-9979

mailto:[email protected]

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Backup

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Links na Internet

http://www.ilt.fraunhofer.de/en/studies/laser-tutorial/types-of-laser.html

http://www.lia.org/

http://www.lia.org/publications/ansi

http://www.safety.vanderbilt.edu/training/flash/laser/player.html

http://optics.org/news/3/3/28

http://www.prweb.com/releases/2012/5/prweb9485963.htm

http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-48/issue-01/features/economic-aftershocks-keep-laser-

markets-unsettled.html

http://www.strategies-u.com/articles/2012/01/the-worldwide-market-for-lasers-market-review-and-forecast-

2012.html

http://marketpublishers.com/report/technologies_electronics/semiconductors/laser_technologies_components_appl

ications_market_global_forecast_analysis_2012_2017_by_types_by_applications.html
































http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-48/issue-01/features/economic-aftershocks-keep-laser-markets-unsettled.html


















http://www.strategies-u.com/articles/2012/01/the-worldwide-market-for-lasers-market-review-and-forecast-2012.html




























http://marketpublishers.com/report/technologies_electronics/semiconductors/laser_technologies_components_applications_market_global_forecast_analysis_2012_2017_by_types_by_applications.html







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