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Tecnologia laser - Potencial e oportunidades

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Tecnologia laser - Potencial e oportunidades

  1. 1. Tecnologia Laser:Potencial e OportunidadesWorkshop com a IndústriaFIESC/SENAI-SCInstituto SENAI de Inovação em Tecnologias LaserDr.-Ing. Alberto Xavier PavimFlorianópolis, 24 de Setembro de 2012
  2. 2. Conteúdo1 Introdução: Princípios Fundamentais do Laser2 Potencial: Aplicações da Tecnologia Laser3 Mercado: Oportunidades e Tendências para Tecnologia Laser4 Conclusões Finais Slide 2
  3. 3. 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: parFonte: Nasa, Força Aérea EUA de espelhos, onde o espelho de saída é semi-transparente) Slide 3
  4. 4. 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 Slide 4
  5. 5. 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 – WFonte: Fraunhofer ILT, LZH, Rofin, ATM Slide 5
  6. 6. 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 4Fonte: Vanderbilt University, OSHA Technical Manual – Laser Safety, ANSI Z136 Slide 6
  7. 7. Conteúdo1 Introdução: Princípios Fundamentais do Laser2 Potencial: Aplicações da Tecnologia Laser3 Mercado: Oportunidades e Tendências para Tecnologia Laser4 Conclusões finais Slide 7
  8. 8. Aplicações da Tecnologia Laser Comercial Industrial Pesquisa e Ciência Leitor de Corte a Laser Modelagem Sistemas Laser códigos e Simulação Ultra-rápidos Termô- Energia e Fotovoltaicos metro Soldagem a Laser Infra-vermelho Entretenimento Marcação Leitor de CD/ à Laser DVD/Bluray Dysplays Impressora Usinagem Lasers Laser Células Foto- assistida voltaicas por Laser Montagem Cirurgia Assistida Dentária Canhão Laser Direção Assistida Tratamento Cirurgia Ocular Dermatológico Mira Laser Automotivo e Aeronáutico Medicina e Saúde MilitarFonte: Looyet, DELL, LG, Westermans, Electromann, LAMPL, Bosch, QES, LZH, Acne Avengers, Lasereyeleeds, Coherent Slide 8
  9. 9. 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 híbridosFonte: Fraunhofer ILT Slide 9
  10. 10. Aplicações: Industrial Soldagem (híbrida) de Corte de superfícies metálicas: placas Ligas de níquel, cobre, Estabilização de processos de Ablação à Laser de metálicas alumínio e titânio soldagem MIG/MAG e TIG com metais/cerâmicas/vidros finas e radiação Laser de baixa potência para funcionalização grossas de superfícies (fricção, Brasagem de aço e propriedades ópticas etc.) alumínioTratamento térmicolocal e redução detensões residuais Soldagem de Nano- componentes estruturação elétricos e 3D por interconexões polimerização elétricas de de duplo-fóton células Limpeza de superfícies para fotovoltaicas eliminar ferrugem ou preparar Revestimentos: para processos de soldagem, manufatura brasagem, união aditiva Micro e nano-estruturação por ablação, micro-furação Micro-união de aço, e corte de ultra-precisão comFonte: Fraunhofer ILT, LZH cobre e alumínio fs-Lasers de alta potência Slide 10
  11. 11. Aplicações: Industrial Processamento de fibras de termoplástico reforçadas Junção de superfícies metálicas e plásticas Funcionalização, estruturação, corte e soldagem de materiais compósitos e polímeros Micro-usinagem de polímeros, células fotovoltaicas orgânicas, Funcionalização de filmes finos para transistores de filmes finos óptica e eletrônica, protegendo União seletiva contra de vidros: desgaste dysplays e e corrosão fotovoltaicos Prototipagem rápida Marcação e estruturação por processo SLM Interna em volumes de vidro e materiais transparentesUnião de vidros, cerâmicase materiais compósitos Polimento de superfícies para fabricação de ferramentas, moldes, implantes, ópticas Desenvolvimento de ferramentas Laser Marcação/gravação deFonte: Fraunhofer ILT, LZH e integração/automação de sistemas metais, plásticos e papéis Slide 11
  12. 12. 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  SegurançaFonte: LABMETRO Slide 12
  13. 13. Aplicações: MetrologiaCâmera de Laser sectionTempo-de-voo sensor Segurança de ambientes industriais robotizados Topografia de superfícies de formas livres iGPS Orientação de robôs móveis: Cooperação homem-máquina aspectos de inteligência e de múltiplos robôs e segurança Espectroscopia Raman ou de fluorescencia Laser para identificação e triangulation análise de materiais sensorLaser scannerFonte: Rockwell Automation, Wikipedia, DLR, Sparkfun, AVT, SOLVing3D, TUDortmund, PMDTech, Sick, Pepperl+Fuchs, Micro-Epsilon, Klostermann, Nikon, WZL Slide 13
  14. 14. Aplicações: Medicina e Saúde  Bio-analítica  Microscopia Laser  Diagnose clínica  Sistemas micro-cirúrgicos  Sistemas micro-fluídicos  Funcionalização biológica  Bio-manufatura  Terapia Laser  ImplantesFonte: Fraunhofer ILT, LZH Slide 14
  15. 15. Aplicações: Medicina e Saúde Superfícies e estruturas para orientação de células Micro-cirurgia e formação e crescimento de proteínas de imagens 3D in-vivo Posicionamento de células Tecnologia EUV para e micro-estruturas 3D diagnósticos clínicos sem contato Cirurgia de retina à Laser Bio-fabricação: Tratamento dermatológico: engenharia de tecidos Tratamento e cirurgia dentária Acnes e remoção de pelos Prototipagem rápida de arcadas dentárias Prototipagem rápida de implantes de ligas Endoscópio de titânio Laser para e de stents cirurgia, biocompatíveis fechamento com estrutura de feridas e porosa costura LaserFonte: Fraunhofer ILT Slide 15
  16. 16. 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 & placeFonte: Fraunhofer ILT – Processos de junção Slide 16
  17. 17. Aplicações: Pesquisa e Ciência Design de Lasers ajustáveis: e.g. UV para NIR Modelagem e simulação de sistemas ópticos e Design de sistemas processamento Laser opto-mecânicos de alta potência eDesign de sistemas métodos automáticos deLaser para produção e alinhamento e montagemmontagem automatizada Design de Design de óptica de forma livre para substratos aplicações cerâmicos com com LEDs, funcionalização Design de para e.g. de resfriamento sistemas indústria e contatos elétricos micro-opto-eletro-mecânicos automotiva para junção de compontentes ópticos Protótipos e soluções customizadas para fins científicos Geração de radiação EUV/XUV e industriais para Lasers Design de Lasers ultra-rápidos semicondutores de alta potência e super-pulsadosFonte: Fraunhofer ILT Slide 17
  18. 18. Tecnologia Laser na Cadeia de Agregação de ValorMetrologia Laser: Laser SLM: Laser para: tratamento Laser para:■ Assistência para ■ Prototipagem rápida térmico, corte, perfuração, ■ Soldagem formação de com impressora ablação, polimento, ■ Brasagem modelo 3D (CAD) Laser 3D limpeza, revestimento etc. ■ Demais proc. união Design do Prototipagem Manufatura Montagem Produto Controle de Reparação Logística Qualidade Reparação com Laser: Rastreabilidade: Metrologia Laser: ■ Limpeza ■ Marcação/gravação ■ Controle de qualidade ■ Soldagem de códigos ■ Perfilometria óptica ■ Endurecimento ■ Leitura de códigos ■ Topogrametria etc. Slide 18
  19. 19. Conteúdo1 Introdução: Princípios Fundamentais do Laser2 Potencial: Aplicações da Tecnologia Laser3 Mercado: Oportunidades e Tendências para Tecnologia Laser4 Conclusões finais Slide 19
  20. 20. 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 CivilFonte: Fraunhofer ILT, LaserFocusWorld Slide 20
  21. 21. 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, GigaphotonFonte: Optech Consulting (Arnold Mayer), Optics.org, LaserFocusWorld, PRWeb, MarketPublishers Slide 21
  22. 22. Mercado das Tecnologias Laser: Análise dos Setores Processamento de Materiais Medicina e Estética Pesquisa, Ciência e Militar Instrumentação e Sensores Comunicação e Mídias Ópticas Entretenimento e DysplaysFonte: LaserFocusWorld Slide 22
  23. 23. 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 Slide 23
  24. 24. Conteúdo1 Introdução: Princípios Fundamentais do Laser2 Potencial: Aplicações da Tecnologia Laser3 Mercado: Oportunidades e Tendências para Tecnologia Laser4 Conclusões finais Slide 24
  25. 25. 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 Slide 25
  26. 26. Obrigado pela atençãoContato Dr.-Ing. Alberto Xavier Pavim Email: apavim@dn.senai.br Telefone: 61 3317-9979Fonte: Fraunhofer IPT Slide 26
  27. 27. Backup Slide 27
  28. 28. 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 Slide 28

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