1. 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

2. Conteúdo
1 Introdução: Princípios Fundamentais do Laser
2 Potencial: Aplicações da Tecnologia Laser
3 Mercado: Oportunidades e Tendências para Tecnologia Laser
4 Conclusões Finais
Slide 2

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: par
Fonte: Nasa, Força Aérea EUA de espelhos, onde o espelho de saída é semi-transparente)
Slide 3

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. 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
Slide 5

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 4
Fonte: Vanderbilt University, OSHA Technical Manual – Laser Safety, ANSI Z136
Slide 6

7. Conteúdo
1 Introdução: Princípios Fundamentais do Laser
2 Potencial: Aplicações da Tecnologia Laser
3 Mercado: Oportunidades e Tendências para Tecnologia Laser
4 Conclusões finais
Slide 7

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 Militar
Fonte: Looyet, DELL, LG, Westermans, Electromann, LAMPL, Bosch, QES, LZH, Acne Avengers, Lasereyeleeds, Coherent
Slide 8

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 híbridos
Fonte: Fraunhofer ILT
Slide 9

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.)
alumínio
Tratamento térmico
local e redução de
tensões 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 com
Fonte: Fraunhofer ILT, LZH cobre e alumínio fs-Lasers de alta potência
Slide 10

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 transparentes
União de vidros, cerâmicas
e materiais compósitos Polimento de superfícies para
fabricação de
ferramentas,
moldes,
implantes,
ópticas
Desenvolvimento de ferramentas Laser Marcação/gravação de
Fonte: Fraunhofer ILT, LZH e integração/automação de sistemas metais, plásticos e papéis
Slide 11

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
 Segurança
Fonte: LABMETRO
Slide 12

13. Aplicações: Metrologia
Câmera de Laser section
Tempo-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
sensor
Laser scanner
Fonte: Rockwell Automation, Wikipedia, DLR, Sparkfun, AVT, SOLVing3D, TUDortmund, PMDTech, Sick, Pepperl+Fuchs, Micro-Epsilon, Klostermann, Nikon, WZL
Slide 13

14. 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
Slide 14

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 Laser
Fonte: Fraunhofer ILT
Slide 15

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 & place
Fonte: Fraunhofer ILT
– Processos de junção
Slide 16

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 e
Design de sistemas métodos automáticos de
Laser para produção e alinhamento e montagem
montagem 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-pulsados
Fonte: Fraunhofer ILT
Slide 17

18. Tecnologia Laser na Cadeia de Agregação de Valor
Metrologia 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. Conteúdo
1 Introdução: Princípios Fundamentais do Laser
2 Potencial: Aplicações da Tecnologia Laser
3 Mercado: Oportunidades e Tendências para Tecnologia Laser
4 Conclusões finais
Slide 19

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 Civil
Fonte: Fraunhofer ILT, LaserFocusWorld
Slide 20

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, Gigaphoton
Fonte: Optech Consulting (Arnold Mayer), Optics.org, LaserFocusWorld, PRWeb, MarketPublishers
Slide 21

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 Dysplays
Fonte: LaserFocusWorld
Slide 22

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. Conteúdo
1 Introdução: Princípios Fundamentais do Laser
2 Potencial: Aplicações da Tecnologia Laser
3 Mercado: Oportunidades e Tendências para Tecnologia Laser
4 Conclusões finais
Slide 24

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. Obrigado pela atenção
Contato
 Dr.-Ing. Alberto Xavier Pavim
 Email: apavim@dn.senai.br
 Telefone: 61 3317-9979
Fonte: Fraunhofer IPT
Slide 26

27. Backup
Slide 27

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