Post on 18-May-2015
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
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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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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Aplicações: Industrial
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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Aplicações: Industrial
Fonte: Fraunhofer ILT, LZH
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
Fonte: Fraunhofer ILT, LZH
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Aplicações: Medicina e Saúde
Fonte: Fraunhofer ILT
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
Fonte: Fraunhofer ILT
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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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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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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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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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: apavim@dn.senai.br
Telefone: 61 3317-9979
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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