-
Tecnologias de corte con haces de alta densidad
(chorros de gua y lser) de rocas naturales
Rosa MirandaProfessora no Departamento de Eng Mecnica e
Industrial FCT-UNL
Investigadora do Instituto de Eng Mecnica
[email protected] [email protected]
mailto:[email protected]:[email protected]
-
SumrioImportncia econmica do sector das rochas
ornamentaisTecnologias de processamento no convencionais
- LASER - Jacto de gua
Breve historialPrincpios de funcionamentoMecanismos envolvidos
no corte por laser e por jacto de guaAplicaesAspectos econmicos
-
Importncia do Sector Portugal e Espanha so dois dos maiores
produtores europeus de rochas ornamentais (mrmores, calcreos,
granitos e ardsias) usadas na construo civil e em decorao.Nas
ultimass dcadas investiram na transformao de blocos em produtos
finais com maior valor acrescentado.
Tecnologias investigadasLaser corte, marcao, furao e limpeza de
obras de arteJacto de gua abrasivo corte, marcao e extraco
Objectivo de aumentar:- Flexibilidade- Produtividade -
Qualidade- Condies ambientais
-
TECNOLOGIA TECNOLOGIA LASERLASER
CORTECORTEFURAFURAOO
LIMPEZALIMPEZA
MARCAMARCAOO
SoldaduraSoldadura TratamentosTratamentosSuperfSuperfcie cie
-
BREVE HISTORIAL
LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation
Einstein 1917- fsica de emisso espontnea e estimulada Bohr e
Planck formularam a teoria da mecnica quntica Townes 1954
confirmaram a possibilidade de aplicar aemisso estimulada
amplificao de ondas ultracurtas Theodore Maimann 1960 constri o
primeiro laser de estado slido (rubi, excitado por uma lmpada
fluorescente de vapor de mercrio e filamento helicoidal) nos
laboratrios de investigao Hughes, na Califrnia Desde 70 -
industrializado em processamento de materiais Lasers de slido
(Nd:YAG, dodos, fibras) de gs (CO2, excimeros)
-
Caractersticas da radiao laser
- monocromtica - os fotes emitidos tm todos a mesma energia e o
mesmo comprimento de onda- coerente (espacial e temporalmente) - os
fotes que constituem a radiao emitida por um laser esto em fase-
direccional- baixa divergncia (da ordem de 10-3 a 10-4 mrad).
So estas caractersticas que tornam a radiao laser
particularmente adequada ao processamento
de materiais
-
3 kW CO2 laser
-
3 kW CO2 laser
-
SIM-TWB Sept. 20061.5 kW CO2 laser
-
3 kW laser diodos
-
PRINCPIO DO CORTE POR LASER
Esquema do processo de corte por laser
-
Potncia Velocidade de deslocamento Gs de assistncia
Funes:Proteger as lentesExpelir o material da frente de
corteArrefecer as superfcies de corte
Presso:muito baixa deficiente remoo do material
fundidomuito elevada turbulncia e aumento da
rugosidade das superfcies
PARMETROS DE PROCESSAMENTO
-
Mecanismos de corte
Vaporizao - a energia do feixe aquece o material acima da Temp.
ebulio e o material deixa a superfcie sob a forma de vapor. Ocorre,
sobretudo, no corte em modo pulsado ou em materiais com pontos de
fuso e de ebulio prximos, como em alguns polmeros.Fuso - Difere do
processo anterior porque o material removido no estado lquido. Ex:
metais e nos termoplsticos. Na superfcie de corte notam-se
frequentemente estrias, devidas a instabilidades hidrodinmicas do
processo (oscilaes na potncia do laser ou no caudal do gs, vibraes
no sistema de deslocamento ou de velocidade) Fuso reactiva - usa um
gs de assitncia reactivo (ex: oxignio) que origina reaces
exotrmicas na frente de corte em alguns materiais, Ex: nos aos e
nas madeiras. Degradao qumica - observado na maior parte dos
materiais base de hidrocarbonetos e nas rochas. A radiao laser
quebra as ligaes qumicas com decomposio.Fractura controlada -
ocorre principalmente em materiais frgeis. O laser provoca
gradientes trmicos induzindo tenses mecnicas.
+ OHCOHC zyx 2 + OHCOHC zyx 2
-
Mecanismos de corte em rochas
O processo de corte por laser de IV involve um processotrmico -
aquecimento localizado da rocha com formaode um plasma ligeiramente
azulado a elevadasdensidades de energia.Tanto o plasma como as
partculas resultantes dadecomposio absorvem a radiao.A separao das
partes produz-se quando o plasma e o material fundido so ejectados
da zona de interacopelo gs de assistncia coaxialmente com o feixe.O
gs tem ainda um efeito arrefecedor das paredes de corte diminuindo
a extenso da zona afectada pelo calor.
-
Mrmores
Mrmores calcticos e granitos formam uma rebarba aderente e
frgil. Os mrmores dolomticos e os calcreos tm melhores superfcies
de corte. Rosa de Borba, evidencia descolorao da superfcie devida
decomposio da calcite.
-
De um modo geral as superfcies de corterevelam pequenasfissuras
e destacamentos de gros numa extensoafectada termicamenteda ordem
de 0,3 mm que facilmenteremovida.
-
Quando a velocidade de corte diminui, a qualidade dasuperfcie
aumenta e o material removido maiseficientemente. Espessura crtica:
entre 10 e 15 mm
0
200
400
600
800
10 20 30
Thickness (mm)
Max
imum
Cut
ting
spee
d (m
m/m
in)
Moca Creme
Rosa de Borba
Branco Pardais
P= 2 kW
-
0
50
100
150
200
250
300
350
500 1000 2000 2500
Potncia (W)
Max
imum
cut
ting
spee
d (m
m/m
in
Moca CremeRosa de BorbaBranco Pardais
Espessura: 20 mm
Gs assistncia: arcomprimido a 5 bar
-
050
100150200250300350
1000 2000 2500
Power (W)
Max
imum
Cut
ting
spee
d (m
m/m
in)
S0S1
Moca CremeS0 plano de sedimentaoS1 plano perpendicular ao plano
de sedimentaoEspessura: 20 mm
-
350
400
450
500
550
600
5 10 15 20
Assist gas pressure (bar)
Max
imum
Cut
ting
spee
d(m
m/m
in)
Moca CremeEspessura: 10mmP: 1000 W
0100200300400500600700
80 95 110
Hardness HV
Max
imum
cut
ting
spee
d (m
m/m
in)
Velocidade mxima de corte vs. dureza darochaEspessura: 20mm
-
Ardsias
P: 1200 WGs: Oxignio, 2 bar
Boutinguiza M., Pou J., Lusquinos F., Quintero F., Soto R.,
Perez-Amor M., Watkins K., Steen W. M., Optics and Lasers in Eng.,
37, 2002, p. 15-25
-
Velocidade de corte vs. Potncia laserEspessuras: () 3 mm() 5
mm(+) 8 mm
Gs:Oxignio 2 bar
-
Vel. Corte mxima vs. Potncia
Gs assistnciaP: 2 bar( ) Argon() Oxignio(+) AzotoEspessura: 5
mm
-
Corte laser de ardsias
Geometria do corteEspessura: 13.5 mmP: 1200 WGs: O2, 2 barV: 6
mm/s
-
Marcao de mrmore com lasers de excmeros. Processo fotoablativo,
sem efeito trmico, quebra dasligaes qumicas dos consituintes da
rocha
Marcao por LASER
Marcao de ardsia com laser de Nd/YAG
-
Pequenas larguras de corte
Ausncia de contacto fsico ferramenta/material
Baixa entrega trmicazona termicamente afectadas estreitas
Boa qualidade das superfcies de corte
Versatilidadeformasoperaes: corte, marcao
VANTAGENS
-
As aplicaes dos lasers no corte de rochas esto limitadas
por:
o Fragilizao das superfcies de corteo Baixas velocidadeso
Espessuras mximaso Elevados custos
Emergncia de outras tecnologias de corte no trmico
-
IST, 28 Set 2005
TECNOLOGIA DE TECNOLOGIA DE JACTOJACTO DE DE GUAGUA
CORTECORTE MARCAMARCAOO LIMPEZALIMPEZA
ESCAVAESCAVAOO MAQUINAMAQUINAOO FURAFURAOO
-
BREVE HISTORIALJACTO DE GUA
Egpcios - gua e areia para limpeza e minerao Sc. XIX - EUA
minerao de ouro 1968 - Norman Franz patenteou primeiro equipamento
de jacto gua de alta presso 1971 - comercializado primeiro
equipamento para corte de papel laminado 1979 Mohamed Hashish
adicionou abrasivo gua para aumentar o poder erosivo e cortar
materiais duros
JACTO DE GUA ABRASIVO 1983 - 1 equipamento comercializado AWJ
1984 - 1 equipamento comercializado SAJ
-
VANTAGENS Tcnica fria Tecnologia verstil - pode cortar qualquer
material Flexvel - corte 2 e 3D em sistemas controlados a
distnciaFacilidade de automatizar e robotizar - baixa fora de reaco
no brao dum robotMaquinao de materiais frgeis (fora na pea
-
FUNDAMENTOS do CORTE POR JAA
jacto de gua de alta presso (< 400 MPa) gerado numa bomba
intensificadora feitochegar cabea de corte atravs de tubagem
blindada jacto passa numa safira industrial de dimetro 0,2 a 0,8
mm,transformando um jacto de alta presso, num jacto de alta
velocidade (atcerca de 800m/s) quando o jacto de alta velocidade
atinge o alvo, exerce sobre este uma fora de compresso. Dependendo
das propriedades mecnicas e do comportamento deformao do alvo, o
jacto pode desenvolver uma aco erosiva, de corte ou de rotura, sob
a aco de uma variao rpida dos campos de tenses localizados.
gua mole em pedra dura tanto bate at que fura!
-
Na primeira zona as partculas de abrasivo atingem o material sob
ngulos de incidncia baixos e com elevada energia cintica,
efectuando a remoo de material por desgaste por corte. - medida que
o jacto progride no material, a sua eficincia baixa e o jacto
torna-se instvel.
- As partculas de abrasivo deflectem no sentido ascendente,
continuando aaco erosiva por incidncia com ngulos de impacto
maiores. A instabilidade do jacto responsvel pela iniciao de
estrias devidas remoo de material por desgaste por deformao. - O
processo de penetrao global semelhante em materiais dcteis e
frgeis, a diferena reside na dinmica do processo de eroso das
partculas no material. O processo global cclico.
-
Em materiais dcteis a remoo d-se por fractura a uma
deformaocrtica - desgaste por deformao
Em materiais frgeis a remoo ocorre por desgaste por corte
As propriedades mecnicas do material alvo (ex: resistncia
deformao), e as do abrasivo ( tenacidade fractura), desempenham um
papel importante no(s) mecanismo(s) envolvido(s)
-
Moca CremeGros de quartzo e calcite numa matriz de argila
Fissuras ao longo da calcite rombodrica com deformao plstica dos
bordos
Superfcie lisa junto face de ataque do jacto
Cratera na superfcie inferior com deformao plstica
significativa
-
Mrmore cristalinoCalcite com estrutura granoblstica. Quartzo
acessrio Porosidade < 0,4%
Rede de fissuras rodeadas de fissuras intergranulares
Clivagem da calcite sem deformao
plstica
Clivagem da calcite com diferente
morfologia
-
EQUIPAMENTO
Esquema de um sistema de corte por jacto de gua abrasivo de alta
presso
Bomba intensificadorade alta presso
Unidade Controlo Cmara de mistura
Reservatrio Abrasivo
Sistema de Deslocamento
Sistema de Recolha
Sistemas de Decantao
-
BOMBASEsquema de uma bomba intensificadora
Presses da ordem de 400 MPa e caudais de gua que variam entre 4
e 7 l/min.
Efeito simples ou duplo com reas diferentes de modo a
multiplicar presso por efeito de deslocamentos variveis da bomba
hidrulica.
-
CMARA DE MISTURA
-
Aspecto de um equipamento comercializado
-
Sistemas de CAD/CAM
Softwares de nesting
-
Hidrulicos:pressocaudal de gua (controlado pelo dimetro de
safira)
Do abrasivo:tipo, tamanho e forma do groestado do abrasivo (seco
ou hmido)caudal
Da mistura:dimetro interno e comprimento do tubo de
misturacondio do abrasivo: seco ou hmidomodo de mistura: por suco
ou pr-misturado
De corte:velocidade de deslocamentodistncia tubo/pea ngulo de
ataquematerial a cortar
PARMETROS DE PROCESSAMENTO
-
A correcta seleco dos parmetros determina:
a profundidade de corte obtida a largura do corte e o
paralelismo entre faces a qualidade do corte
-
i - presso da guaii - dimetro da safiraiii - dimetro e
comprimento do tubo de misturaiv - velocidade de deslocamentov -
tipo de abrasivo, granulometria e caudal
PRINCIPAIS PARMETROS
Corte JAA
-
PRESSO DA GUA
A presso da gua determina a velocidade mxima do jacto e das
partculas de abrasivo.
vj, a velocidade do jacto;Cv, um coeficiente de velocidade que
considera as perdas por frico na safira; Cy, o coeficiente
decompressibilidade; P e o , a presso e a densidade da gua,
respectivamente.
v Cv Cy 2 Pjo
=
-
Um aumento da presso traduz-se num aumento da velocidade, uma
vez que Cv e Cy decrescem com a Presso
Efeito da presso na eficincia da safira e no coeficiente
decompressibilidade
0,890,9
0,910,920,930,940,950,960,970,980,99
1
50 150
250
350
450
Coeficiente deCompressibilidadeEficcia daSafira
-
ma, o caudal de abrasivo; R, a razo entre os caudais mssicos do
abrasivo e da gua; v, a velocidade de deslocamento; o, a densidade
da gua; f ,a tenso de fluncia do material a cortar; , a energia
requerida para remover uma unidade de volume por desgaste por
deformao; P, a presso;dj, o dimetro do jacto.
( )( )
( )h C
2 1 R ma P
vCy 1 C ma P v dj 1 Ro f o
=+
+
+
& &
2
-
O aumento da profundidade de corte com a presso quase linear e o
aumento da presso da gua aumenta com a velocidade das partculas de
abrasivo. A adio de polmeros soluveis em gua aumenta a coerncia do
jacto : SUPERWATERA presses muito altas, os custos de manuteno da
bomba aumentam, assim como o desgaste do tubo da mistura e os
coeficientes de descarga e de eficincia hidrulica diminuem. O facto
de a altas presses serem admitidos caudais de gua e abrasivo baixos
permite reduzir o custo total de corte e os problemas ambientais de
tratamento dos resduos de corte.
-
DIMETRO DA SAFIRA
O dimetro da safira determina o caudal de gua para uma presso
constante, a velocidade da gua e a energia cintica do abrasivo.
Para uma presso constante, o aumento do dimetro da safira traduz-se
no aumento da profundidade de corte.
O dimetro das safiras varia entre 0,2 e 0,6 mm, mas deve ser
seleccionado conjuntamente com o dimetro do tubo de mistura. Se a
safira tiver um dimetro muito grande e o tubo de mistura for
estreito, ento hacumulao de gua na cabea de mistura e pode haver
humedecimento do abrasivo com aglutinao deste e interrupo do
processo. As razes entre os dimetros da safira e do tubo de
misturam situam-se entre 0,3 e 0,4.
-
DBITO DE GUA
Varia com: presso e dimetro da safira> P > dbito>
dimetro de safira > dbito de gua
DIMETRO DO TUBO DE MISTURA
De per si, tem um efeito pouco acentuado. Tubos de grande
dimetro produzem larguras de corte maiores e menores profundidades
de corte. O comprimento deve permitir boa homogeneizao entre as
partculas de abrasivo e o jacto de gua e habitualmente em operaes
de corte de 76 mm.
-
TIPO DE ABRASIVOFuno da natureza do material a cortar e da
espessura.
Mais duros para materiais mais duros e/ou mais espessos
Abrasivos mais usuais: granada, olivina, alumina, areia
GRANULOMETRIA DO ABRASIVOMais finosMelhores acabamentos e mais
difceis de alimentarMais grossos tubos de maior dimetro e cmaras de
mistura maioresGranulometrias usadas: 60-120 mesh
-
CAUDAL DO ABRASIVO
Custos!
Maior caudal maior desgaste > custos < eficincia na
mistura com gua. Mas...aumenta a velocidade e a profundidade de
corte e melhora a qualidade de acabamento
-
VELOCIDADE DE DESLOCAMENTO
Maior velocidade < profundidade de corteMenor velocidade
melhor qualidade de corte e
menor rugosidade
-
APLICAES
maquinao: corte, furao e torneamento;extraco mineira incluindo
escavaes,
abertura de tneis e desmantelamento de pedreiras;
processamento de alimentos;limpeza incluindo a remoo de
revestimentos e camadas alteradas por efeito de agentes
atmosfricos.
-
APLICAES
Friso para cho com 11x7m em mrmore 12 mm espessura
Custo: 10 000
-
APLICAES
Centro para cho com 1260mm em mrmore 20mm espessura
Custo: 800
Mdulo para parede com 240x240 mm em mrmore 30mm espessura
Custo: 60
-
Segurana
Produo do jacto - bomba e intensificador Transporte de gua rea
de trabalho - delimitar reas e recolha de
resduos Vesturio e proteces
- Proteces auriculares- culos de proteco- Botas com biqueira de
ao
-
Comparao laser vs jacto gua
Factor Laser Jacto de gua
Contacto fsico "ferramenta"-pea
Nenhum Nenhuma
Distoro trmica ZTA pequena Nenhuma
Distoro mecnica Nenhuma Nemhuma
Facilidade de automao
Boa Boa
Interface com robots Boa Boa
Modo de corte Fuso/vaporizao Eroso/corte
-
Jacto de gua Abrasivo em Suspenso
-
Caractersticas
Presso mxima inferior a 800 PaVelocidade do jacto da ordem de
450m/s Aplicaes em campo
- corte de estruturas offshore- desmantelamento de equipamentos
militares- desmantelamentos em construo civil
-
EXTRACO EM PEDREIRAEUA
200 Pa, 24l/min
Vel. Corte: 0,6 m/h em granito
-
0,0000
0,0100
0,0200
0,0300
0,0400
0,0500
0,0600
0,0700
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Traverse speed (mm/min)
MR
R (m
3/m
in)
f ixed
17 rpm
100 rpm
400 rpm
530 rpm
Linear (400 rpm)
Linear (530 rpm)
P: 690 barCaudal gua: 10l/minConcentrao de abrasivo: 10%
EXTRACO EM PEDREIRA
BRITE-EURAM Downhole abrasive jet cutting operations in
quarrying, mining and civil engineering
Granito
-
TRM = 80% chama
Custo de corte:84 /m2
Chama: 47% menor
-
Limpeza de obras de arte em pedra com laser
Lasers: Nd/YAG Q-switched (pulsos: 5-10ns)Sistemas portteis :
125 KgParmetro: fluncia (Energia por pulso/ rea do feixe na zona de
interaco -
-
Mecanismos de Limpeza
Patines absorvem a radiao YAG com fluncias baixas para minimizar
o risco de dano do substrato.
Mecanismos envolvidos:
- Absoro intensa da energia da radiao com aquecimento rpido das
partculas de superfcie que expandem. As tenses desenvolvidas so
suficientes para ejectar a particula.
- Formao de plasma e ondas de choque a fluncias maiores (risco
de dano do substrato)
-
VANTAGENS
Selectividade pode remover s o que se deseja eliminar
efectivamente sem alterar patines originais e sem
sobrelimpezaAusncia de contacto mecnico superfcies frgeisLocalizado
o dimetro do feixe pode variar da fraco de mm at 1 cmControlo em
tempo real monitorizao durante processoAmbiental gera muito
pequenas quantidades de resduos (100g/m2 para uma pedra de exterior
enegrecida). No h produtos qumicos, ou solventesVersatilidade
sujidades e outros revestimentos de mrmores, calcrios, terracotas,
alabastro, etcFiabilidade
Maior desvantagem: CUSTO
-
Agradecimentos
Lasindustria SA
Y, sobretudo, a la assistnciapresente y remota
MUCHAS GRACIAS!
Tecnologias de corte con haces de alta densidad (chorros de gua
y lser) de rocas naturalesCaractersticas da radiao laserArdsias
Corte laser de ardsias Comparao laser vs jacto gua Limpeza de obras
de arte em pedra com laser Mecanismos de Limpeza
AgradecimentosLasindustria SAY, sobretudo, a la assistncia presente
y remota MUCHAS GRACIAS!
