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Tratamentos de superficie com lasers
 

Tratamentos de superficie com lasers

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Contribuição ao Slideshare do Instituto do prof. Milton Lima (Instituto de Estudos Avançados e ITA).

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    Tratamentos de superficie com lasers Tratamentos de superficie com lasers Presentation Transcript

    • Tratamentos de superfície com lasers Mudando a superfície e mantendo o núcleo
    • Relevância • Conforme se vê na Figura, os processos de tratamento superficial com lasers correspondem por uma parcela significativa das aplicações de lasers de potência. • Marcação - onde o laser colore a superfície pela degradação do material exposto ao feixe. A marcação a laser geralmente toma forma como um código alfanumérico impresso em uma etiqueta ou produto para descrever a data de fabricação e validade, o número de série ou código, ou ainda um código de barras • Gravação - tanto em baixo como em alto relevo, têm como característica a retirada de pequenas quantidades de matéria por ablação (mecanismo de ejeção de material por explosões de gases e líquidos em escala micrométrica). Duas técnicas têm sido empregadas para a gravação: rasterização e vetorização. Na rasterização o feixe laser é continuamente ligado e desligado enquanto o laser atravessa o material, exatamente como acontece em uma impressora a laser, sensibilizando apenas as regiões onde o laser está efetivamente em operação. Já no caso da vetorização, o laser traça segmentos de reta na superfície do material para formar a imagem, com muito mais eficiência que no caso da rasterização.2
    • Relevância • Dentro da classe “outros” da Figura 2 encontram- se uma série de outros processos importantes que, no entanto, não atingiram um nível de maturidade comercial tão elevado quanto a marcação e a gravação a laser. Especificamente, nos tratamentos de superfície temos: • Refusão a laser: processo onde o laser interage com a superfície do material produzindo fusão localizada e resfriamento rápido, promovendo uma camada resolidificada com propriedades diferentes daquelas do volume da peça • Laser cladding: é um processo onde, ao mesmo tempo que o laser interage com o material, um fluxo de pó é injetado. O laser funde as partículas junto com o substrato produzindo um revestimento epitaxial3
    • Relevância • Têmpera a laser: é um processo que o laser aquece e resfria rapidamente a superfície do material, sem no entanto fundi-lo, promovendo a formação da martensita em aços. Também é possível a formação de martensita em outros sistemas como ferro fundido e titânio. • LPVD e PCVD: trata-se de uma variação dos processos de PVD (Physical Vapour Deposition) e CVD (Chemical Vapour Deposition) onde o laser interage com um alvo para produzir o filme fino sobre uma peça. O laser pode ser focalizado sobre um alvo metálico para produção de vapor que será condensado em outro lugar (LPDV) ou pode ser dirigido para um vapor que produzirá um depósito por pirólise (LCVD). • Limpeza a laser: é um processo onde uma camada indesejável, contaminada, é expulsa da superfície do material por ablação de um feixe laser de alta intensidade. Por exemplo, este processo tem sido utilizado no descomissionamento de usinas nucleares com a eliminação de camadas de urânio depositadas sobre equipamentos dentro de uma câmara especial. • Texturização a laser: é um processo para criação de rugosidade sobre a superfície do material por meio da fusão localizada e ablação de quantidades ínfimas de material. O processo é bastante preciso e permite obter rugosidades desde alguns nanômetros até centenas de micrometros.4
    • Exemplos Marcação a laser em componentes Gravação a laser em molde para eletrônicos. sabonete. Limpeza a laser de superfícies. Texturização a laser.5
    • Marcação a laser
    • Marcação a laser (laser marking) • Usado para marcar ou codificar um produto • Vários exemplos: • Data de manufatura • Data de validade • Número de série • Número de parte • Código de barras Último processo antes da expedição • Matriz ID • Gradaturas em seringas • Decorativo (brindes) • Embalagens • Vantagens: indelevilidade, confiabilidade (reproducibilidade), sem consumíveis, limpo, alta velocidade • Desvantagem: nem todos os materiais são marcáveis com um dado laser7
    • Mecanismos de marcação • Carbonização (preto) e descoloração – aquece-se acima da temperatura de degradação ou de ativação/decomposição de um determinado pigmento. • Modificação físico-química sem fusão – fazendo a região aquecida reagir com um elemento (sólido, líquido ou gás) para promover a transformação de uma fina camada do substrato. • Fusão – fusão controlada de uma sequência de pontos ou linhas de tal forma a produzir um contraste. • Ablação, microfissuras e microbolhas – a superfície do material é aquecida acima da temperatura de vaporização, provocando a retirada de camadas ínfimas de material, ou provocando defeitos como microfissuras (vidro) ou microbolhas (polímeros) dando o contraste. • Combinação de processos – o que é mais comum.8
    • Características • Flexibilidade • Limpeza • Produtividade • Investimento inicial é alto, mas custos operacionais são baixos • Métodos em competição com a gravação a laser • Jato de tinta – permanência e legibilidade, o investimento de uma impressora de jato de tinta = ¼ de um laser CO 2-TEA, necessita-se levar em conta o preço do cartucho. • Estampagem - matriz necessária (ela se desgasta facilmente), deforma o substrato. • Etiquetas pré-impressas - desperdício, normalmente se produz em lotes (milheiros), apresenta pouca flexibilidade. • Ataque químico - lento, eventualmente causa dano localizado, problemas ambientais com o descarte. • Puncionamento, silkscreen, pantografia... altos custos de consumíveis, geralmente fazem muita sujeira.9
    • Equipamento de marcação • Máscara • Rasterização • Matriz de pontos Máscara Sistema mais Mais popular: econômico, sistema flat- mas com field. Pode-se problemas do escolher uma arco formado lente com pelo feixe focal mais (efeito longa para pêndulo). áreas Compensado grandes, ou pelo sistema menor para de focalização maior densidade de energia10
    • Especificações comuns flat-field Comprimento focal 76 127 203 mm Diâmetro de campo 76 127 203 mm Distância de trabalho 60.45 187.45 292.10 mm Profundidade de campo 1.50 3.38 5.08 mm Largura de linha 0.064 0.102 0.203 mm Resolução 0.0051 0.0076 0.0127 mm/passo Densidade de energia 524 223 102 MW/cm2 Laser 50 W multimodo11
    • Software • Os maiores avanços nos últimos anos em marcação a laser estão na parte do software de controle. • Atualmente os softwares envolvem Interface Gráfica com o Usuário (GUI), incluindo modernos sistemas de CAD/CAM. • Não é incomum encontrar sistemas de marcação a laser totalmente automatizadas que funcionam 24h por dia. Interf. Criação gráfica estereo- Importação CAD litografia CAM LASER Eng. Interf. reversa composta www12
    • 13
    • Na prática... Materiais Velocidade Marcação a laser Tolerâncias Permanência Flexibilidade ples m si é o Nã14
    • Propriedades dos materiais • Metais e ligas: refletem CO2, absorvem bem Nd:YAG e excimer • mecanismos de marcação: descoloração, oxidação e ablação • uma camada pode ser ablacionada (anodização sobre Al) ou pigmentos podem ser adicionados (pintura prévia+laser+limpeza) • Polímeros (como poliestireno ou polipropileno) absorvem mal o CO2 e o Nd:YAG • pigmentos (0,1%vol, p.e.) aumentam bastante a absorção • estes não podem mudar as propriedades físico-químicas do composto e devem ser atóxicos no caso de contato com alimentos • Vidros normalmente fazem uso de lasers de CO2 ou excimer (quando se deseja minizar as micro-trincas) • Cerâmicos são limitados pelo problema do trincamento, mas com um parâmetros apropriados, vários lasers podem ser usados • Semicondutores podem ser marcados por Nd:YAG no começo do processo de manufatura • fusão localizada15
    • Caso: Carl Zeiss marca lentes com excimer16
    • Exemplos de marcação17
    • Diagrama de processo18
    • Aplicações na indústria Aplicações industriais de marcação a laserSetor Produto Laser MaterialAeronáutico Cabos Excimer Polímero/automotivo Janelas CO2 Vidro Placas CO2 Metais Limiar de marcação típicos identificadoras de Material do Laser Limiar de densidade veículos substrato de energia (J/cm2) Displays de painéis Nd:YAG Polímeros Papel CO2 2–4Utilidades Informações do CO2 Vidro Plástico/epóxi CO2 6 – 16domésticas produto Vidro CO2 15 – 25 Mármores CO2 Placas de Cerâmica CO2 15 – 25 granito/mármore Plástico/epóxi Nd:YAG 1–8 Embalagens CO2 Papel Cerâmica Nd:YAG 5 – 16Eletrônicos Tubos e painéis CO2 pulsado Vidro Isolante de fios Excimer 1–3 Circuitos integrados CO2 Semicondutores Cerâmica Excimer 6 –15 Teclados Nd:YAG Polímeros pigmentadosMédico Seringas Nd:YAG Polímeros Containeres Excimer VidroNaval Identificação de CO2 Aço estrutural secções19
    • Custos kUS$ • Marcação a laser é usualmente a 280 Jato de tinta solução com maior investimento inicial, embora a retribuição em 240 termos de velocidade e confiabilidade mais que 200 compensam o investimento inicial 160 sobre o tempo de vida do produto. laser CO2 • A impressão por jato de tinta é o 120 competidor direto do laser para 80 marcação automatizada. • No entanto, os solventes orgânicos 40 usados nas tintas causam sérios 1 2 3 4 5 6 anos problemas à saúde e ambientais A principal fonte de renda das • Brindes marcados a laser podem empresas de impressoras por jato de tinta reside na venda custar centavos/unidade de cartuchos20
    • Gravação a laser
    • Gravação a laser como processo de usinagem • Micro-usinagem de materiais para produção de estruturas em alto ou baixo relevo • Envolve fusão/evaporação localizada do material em profundidades geralmente acima de 0,1 mm, o que necessita de vários passes do laser • Principais aplicações em moldes, matrizes e ferramentas • Técnicas: máscara, rasterização ou matriz de pontos • Os mesmos termos de usinagem convencional são utilizados aqui: • Força de usinagem = energia do laser • Velocidade angular = frequencia • Torque = potência • ... • Grande vantagem – trabalhar-se com materiais já endurecidos !22
    • Fabricação de moldes CAD prototipagem usinagem molde acabado • O laser não é capaz de usinar grandes superfícies, pois é mais demorado e custoso que as modernas tecnologias de fabricação • Em geral, são usinados insertos (peças menores inseridas nos moldes) ou áreas específicas (logos, marcas, etc.)23
    • Caso de estudo: Ziploc24
    • Etapas da microusinagem a laser • As etapas do trabalho da peça envolvem a usinagem profunda para retirada de material, uma etapa de pré-acabamento e um Desbaste acabamento superficial para se obter uma determinada rugosidade • Este tipo de operação exige um ótimo conhecimento, tanto das Desbaste características do laser quanto do material a ser usinado. • No exemplo ao lado, um corpo de prova de aço ferramenta para ser Pré-acabamento testado antes do molde. Como se vê foi obtido um bom acabamento no fim do processo para uma profundidade de 1.2 mm Acabamento25
    • Absortividade na microusinagem Acabamento • Quanto menor β mais eficiente o processo ablativo. L (mm) 0,4 -6 -4 -2 0 2 4 6 • O regime CW transfere mais calor à peça. 0,3 • No regime de desbaste β é maior no centro pois o feixe está mais CW concentrado. Foco 0,2 f=10kHz β • Quando nos distanciamos do ponto focal a densidade diminui, 0,1 existe menos material ejetado e o laser funciona apenas como fonte 0 104 106 108 110 112 114 116 118 de aquecimento. L (mm) • No caso do CW acontece justamente o contrário. Desbaste26
    • Microusinagem a laser de eletrodos e punções • Também a usinagem de pequenos moldes, eletrodos para eletro- erosão e punções tem recebido bastante interesse. molde de santinha27
    • MicrostructuringFormação de dimples na superfície
    • Microstructuring • Conhecido método para condicionar superfícies tribológicas • Promove melhorias sensíveis nas propriedades tribológicas sob fricção com lubrificantes (sólidos – micro-reservatórios ou líquidos – colchão) • Pode-se fabricar dimples sobre camadas: • The best results show that isolated dimples covering 40-60% of the area and depth of a few µm substantially reduce the friction and wear. • However, this is not a rule. Voevodin e Zabinski: Wear 261 (2006) 1285–129229
    • Microestruturação em motores • O anel do pistão e as paredes do cilindro são exemplos típicos de sistemas tribológicos, composto de um corpo, um corpo oposto e um material intermediário (óleo). • Contrariamente ao senso comum, uma superfície texturizada oferece mais condições para manter a camada de óleo entre os corpos do que um superfície perfeitamente polida. • O laser age justamente no sentido de criar estas “micropoças” para estocar óleo.30
    • Microestruturação de componentes de motores31
    • Microestruturação de componentes de motores32
    • Efeitos da microtexturização33
    • Microtexturização de superfícies • Laser Nd:YAG – sistema especialmente desenvolvido para microtexturização de superfícies internas cilíndricas.34
    • MicrotexturizaçãoFormação de padrões periódicos na superfície
    • Microtexturização • Padrão contínuo de picos e vales, cobrindo quase totalmente a superfície da peça. • Lasers pulsados e movimentação rápida do feixe. • Trabalha sobretudo sobre os aspectos: rugosidade controlada e transformações de fase na superfície. • Já se mostrou muito efetivo para aumentar a adesividade de revestimento quando estes são aplicados após o tratamento de superfície.36
    • Fundamentos Estrutura periódica e rugosidade37
    • IEAv e texturização Foco em ferramentas Produzir texturas antes do recobrimento Aumento do tempo de vida Produtividade Sustentabilidade38
    • IEAv e texturização • 10 years experience Diamond textured and coated dental • “customers”: Aeronautics, metal-mechanical, drill biomedical. Iris diaphragm Scan Head UnitCuHBr Laser cavity Focal lent Specimen Drills Inserts Dies • CuHBr green, tp = 30 ns, f = 13 kHz, Pmax = 20W Lasers : • Nd:YAG green, tp = 80-120 ns, f = 0.1-50 kHz, Pmax = 60W • Fiber IR, tp= 100 ns, f = 20-50 kHz, Pmax = 20W • Fiber IR, CW ou pulsed (min. 1 ms), Pmax= 2000 W39
    • Resultados para aço rápido M2 • Fusão – austenita retida – martensita – evolução de carbonetos. Superfície tratada com Nd:YAG. Testes padrão Vários tiros Rockwell C sobrepostos com 50 mostram que a µm de diâmetro camada adere cada. muito melhor quando esta é texturizada antes. α110 γ111Intensity (A.U.) γ200 α211 α200 α310 + Dissolução de carbono γ220 γ311 γ400 α220 Lasered Austenitização M6C M6C M6C Original 20 40 60 80 100 12040 2θ (° )
    • Aplicações em brocas Texturização helicoidal com feixe de CuHBr41
    • Resultados em brocas Surface Num ber of Final drill aspect vc condition holes Original 100 VB = 0.21 mm 22 m /m in Lasered 100 VB = 0.11 mm 27.5 Original 14 - 17 Broken m /m in Lasered 100 VB = 0.12 mm Original 7-8 Broken 33 m /m in Lasered 70 - 100 VB = 0.09 mm Número de furos realizados e estado final das brocas42
    • Resultados em matrizes M35 • Controle de ondulação e rugosidade • Sem transformações de n = 3, P = 0.5W n = 1, P = 1W n = 1, P = 2W fase aparentes n = 2, P = 2,5W n = 1, P = 3W n = 1, P = 4W Superfície depois de texturizada n = 3, P = 4W n = 1, P = 4,6W n = 2, P = 4,6W43 Depois de recoberta.
    • Matrizes • Natureza cíclica – falha depois de um número de operações. • Tempo de vida da matriz ligada ao acabamento final (qualidade). • Paradas para troca influenciam muito a produtividade. Comparison of Surface Treatments 200000 180000 Average Tool Life (Number of Parts) 160000 140000 120000 100000 80000 125350 147500 60000 40000 40594 39569 20000 22 condições laser 0 diferentes na mesma peça Nitrited PVD Laser Texturing Laser Texturing (4,6x1) (4,6x2)44
    • Metal DuroComparação entre microjateato e laser:• Excelente controle da rugosidade.• Adesividade: Laser ≥ microjateado.45
    • Aplicações em fresamento Usinagem a seco de aço P20 para moldes• Estatisticamente o mesmo tempo de vida laser x microjateado.• Substituição possível. Ferro fundido ADI46
    • Mecanismos possíveis - microtexturização • Químico • Eliminação do Co na superfície do metal duro • Metalúrgico • Austenitização – fase dúctil – acomoda tensões • Martensita – fase dura – tensões compressivas na superfície • Topografia • Um padrão ondulado distribui mais uniformemente as tensões entre o revestimento e o substrato. • Aumento da tenacidade devido à disrupção no47 componente de tensores.
    • Transformações de fases no estado sólido induzidas por laser Têmpera a laser
    • Princípio da têmpera a laser Raymax lasers • Profundidades endurecidas típicas entre 0,5 e 1,5 mm. • Comumente aplicado em aços carbono com 0,4 a 1,5 %C. • Durante o resfriamento, a austenita transforma-se em martensita com composição em carbono e dureza homogêneas. • Um efeito benéfico adicional é conseguido pela contração de 4% oriundo da transformação → tensões residuais compressivas na49 superfície.
    • Têmpera convencional • O material é mantido por alguns minutos dentro do domínio austenítico. • A temperatura de austenitização é limitada para evitar distorções na peça • O resfriamento rápido é obtido por têmpera em água ou óleo. • A camada mais exterior do metal é que sofre o resfriamento mais abrupto, enquanto o centro continua resfriando. Indução Tocha50
    • Diagrama Fe-C51
    • CCT • A transformação de estado sólido da austenita durante o resfriamento pode ser representada por um diagrama CCT. • Os possíveis micro-constituintes são mostrados. • Na têmpera a laser, queremos induzir um resfriamento similar aquele marcado (a), para produzir uma superfície martensítica dura (o melhor dos mundos é um metal que possua boa tenacidade no seu volume com uma camada dura e impermeável para proteger a sua superfície). • No caso da soldagem (curva c) talvez não seja muito interessante criarmos muita martensita porque esta pode apresentar trincamento.52
    • CCT (Fe-C) Perlita grosseira Perlita fina Martensita Têmpera53
    • Têmpera a laser • O volume do material se mantém frio, apenas a superfície é aquecida. • O resfriamento se dá por condução para dentro do material e pelo fluxo gasoso na superfície. • A temperatura de austenitização deve ser a mais alta possível, pois: • Diminui o tempo para completa austenitização; • Um gradiente térmico alto é necessário para se assegurar uma penetração maior em um tempo menor; • A cinética de tratamento altera a temperatura de transformação (superaquecimento é necessário).54
    • Processo de têmpera a laser • Necessidade de um modo apropriado do laser. • Ligas ferrosas endurecíveis são as mais apropriadas. • Os parâmetros do laser são escolhidos de forma a austenitizar uma determinada profundidade, sem fundir a superfície. • Embora o processo seja rápido, ele é sequencial. Portanto, é difícil competir com os métodos por batelada (fornos). • O fato do laser possuir um feixe relativamente estreito, faz que tenhamos que varrer várias vezes a superfície para cobrí-la. Um traço subsequente do laser aquece a área já tratada e pode levar a um revenido ou crescimento de grão. O que pode ser maléfico ou não... • A melhor aplicação é um passe único.55
    • Características da têmpera a laser • Baixo aporte de energia • Mínima deformação superficial – pode-se trabalhar peças finais – reduz-se a necessidade de usinagens posteriores (diminuindo até 30% dos custos) • Elementos de ligas caros em aços podem ser diminuídos pois a têmpera a laser produz ciclos de aquecimento-resfriamento muito rápidos • Aços de alta liga, que não são passíveis de endurecimento por carburização gasosa, podem ser tratados com laser • O crescimento dos grãos na zona afetada termicamente é muito baixa • O formato e a localização do endurecimento podem ser controlados com precisão • O feixe de luz pode ser guiado e manuipulado rapidamente e de forma flexível (automatização) • Os custos de implantação de um sistema laser são altos – deve-se levar em conta produtividade alta, flexibilidade, valor adicionado, etc.56
    • Caso de estudo: têmpera de um eixo automotivo • Eixo automotivo CVC. • AISI 1040. • Substituição da têmpera por indução.57
    • Caso de estudo: têmpera de um eixo automotivo • MEV58
    • Caso de estudo: têmpera de um eixo automotivo • Microdureza 900 300W 800 500W 700 700W 900W HV100gf 600 1100W 500 400 300 200 0 100 200 300 400 Depth (µ m)59
    • Processos de fusão com lasers Refusão a laser Adição de elementos de liga por laser (laser alloying) Deposição a laser (laser cladding)
    • Tipos de processos • Os processos de tratamento superficial por laser, que envolvem fusão localizada, podem ser divididos em três categorias: • Refusão a laser (laser remelting): onde a superfície do material é fundida e, devido a alta difusividade térmica do substrato, solidificada rapidamente. A geometria do banho líquido, bem como a homogeneidade do banho, podem ser controladas pelos parâmetros do processo. • Adição de elementos de liga por laser (laser alloying): é idêntico ao processo anterior, com a diferença de alterar a composição química do líquido pela deposição de um material sobre a superfície antes da fusão. • Deposição a laser (laser cladding): é a deposição de um material com composição e propriedades diferentes do substrato. Este processo envolve a injeção de um pó sobre um pequeno banho líquido gerado pelo laser sobre o substrato.61
    • Tipos de processos Processos de tratamento superficial por laser: a) Refusão, b) Adição de elementos de liga por laser e c) Deposição a laser62
    • Refusão a laser • Durante a refusão a laser uma poça líquida aproximadamente hemisférica é produzida quando a velocidade de varredura está abaixo da taxa de difusão de calor. O banho líquido torna-se alongado a altas velocidades de varredura. • Como o líquido solidifica-se epitaxialmente a partir do próprio substrato, normalmente não há barreira de nucleação para a cristalização e o crescimento será colunar na maioria dos casos. Variações locais na velocidade de solidificação podem ser determinadas a partir da orientação da microestrutura ou pelo formato do banho líquido. No caso da refusão a laser, os vetores da velocidade de varredura Vb e da velocidade de solidificação Vs são coplanares num plano longitudinal ao centro do banho: θ Vs=Vb.cosθ Onde: θ é o ângulo entre Vs e Vb63
    • Refusão a laser • Quando a determinação experimental da orientação microestrutural não é possível, o formato da poça líquida pode ser obtida pela resolução da equação fluxo de calor usando técnicas numéricas (p.e. elementos finitos) ou analíticas (p.e. Rosenthal). • Uma vez que a microestrutura tenha condições para desenvolver-se, a velocidade de crescimento da interface sólido-líquido é dado por Vs. Este critério não é válido para o crescimento dendrítico, pois este ocorre em direções cristalográficas selecionadas. Essas direções são, geralmente, de baixo índice como <100> em metais cúbicos. Conforme mostrado por Kurz, a equação anterior precisa ser modificada para levar em consideração esse crescimento orientado cristalograficamente. Assim: Vhkl = Vb cos θ/cos ϕ Onde: Vhkl é a velocidade de crescimento da dendrita e ϕ é o ângulo entre a normal da frente de solidificação e a direção [hkl]64
    • Refusão a laser de ferros fundidos • Objetivo: aumentar a resistência ao desgaste e a corrosão pela formação de uma camada ledeburítica (Fe-Fe3C) na superfície de um ferro fundido (Fe-C)65
    • Refusão a laser de ferros fundidos66 Adaptado de J. Grum, R. Strum: Mat. Characterisation 37 (1996) 81
    • Laser alloying • Similar a refusão a laser, mas agora se adiciona elementos de liga para alterar a composição da camada resolidificada. • Duas técnicas são empregadas: • Dissolução: onde uma distribuição homogênea do composto adicionado é buscada; • Dispersão: onde uma dispersão fina de sólidos não-dissolvidos é buscada (compósito). • Exemplos: • Dispersão de zircônia em aços ferramentas para aumento da resistência ao desgaste. • Várias aplicações em engenharia automotiva foram noticiados, p.e. alloying de silício sobre alumínio para clindros, camisas e válvulas. LIMA, M. S. F., FOLIO, Frederic Laser surface treatments on Ti/TiN composites In: European Materials Research Society Spring Meeting, 2005, Strasbourg. Proceeding of the Symposium J: Advances in Laser and Lamp Processing of Functional Materials. Strasbourg:67 MRS, 2005.
    • Caso de estudo: dispersão de SiC em Al • Objetivo: impregnar uma matriz de alumínio com SiC para gerar um compósito duro na superfície ou criar uma camada aderente de SiC 18 µm68
    • Cladding • Camadas depositadas sobre a superfície dos materiais. • Pode haver deposição por pó (mais comum) ou fio. • Empresas que utilizam no processo produtivo: Rolls Royce, Pratt&Whitney, Combustion Engineering, Fiat, GM, Rockwell, Westinghouse,... • Aplicações: • Camadas resistentes ao desgaste; • Camadas resistentes a corrosão; • Reparo. Demar Laser69
    • Processos atérmicosTransferência ressonante de energia sem mudança na temperatura Um novo patamar do microprocessamento
    • Princípios • Os quatro principais mecanismos de processamento atérmico são: • Fotoelétrico: a superfície do material emite elétrons em resposta a luz incidente. • Fotoquímico: interações entre os fótons da luz incidente e as ligações (quebra ou união) entre átomos ou moléculas. • Fotofísico: quebra mecânica das ligações interatômicas ou moleculares. • Fotomecânico: formação de ondas de choque – transformações de fases ou encruamento. LP – impressão a laser HPD – derivativo da hematoporfirina PA – tratamento fotoquímico SL – estereolitografia OL – litografia óptica PRK – queratectomia fotorefractiva SP – processamento por choque71
    • Processos derivados Efeitos fotoelétricos • Impressora a laser Efeitos fotoquímicos • Fazendo ligações químicas: certos monômeros de baixo peso podem reagir com a luz ultravioleta para formar polímeros longos (restaração branca dos dentistas + laser de argônio (488 nm) = ativação da resina) • Quebrando ligações químicas: principalmente com Excimers ou com lasers de femtosegundos. • Bioestimulação: terapia fotodinâmica (administração de derivativo da hematoporfirina – exposição das lesões malignas a luz vermelha – reação fotoquímica de sufocamento molecular)72
    • Processos derivados Efeitos fotofísicos • Fotoablação: rápido crescimento da pressão na interface de ablação (sublimação ou evaporação) • Ablação induzida por plasma: exposições entre 100 fs e 500 ps causam o aparecimento de um plasma de alta intensidade com pequena ou nenhuma transmissão de calor • Fotodisrupção: fragmentação e corte de materiais por forças mecânicas. Efeitos mecânicos • Um pulso de energia confinado de alta energia promove a compressão de uma camada superficial promove: • Transformações de fases induzidas por deformação. • Criação de defeitos.73
    • Aplicações74
    • Estereolitografia • Inventado por Charles Hull (1986) permite que um protótipo seja feito a partir de um projeto CAD • Fazendo ligações químicas com fótons • Desenho 3D CAD – camadas – luz ultravioleta desenha cada camada em um líquido fotopolimérico75
    • Litografia óptica • Usinagem seletiva de padrões de circuitos microeletrônicos na superfície de um wafer de silício (principalmente com Excimers) • Estão anunciando componentes abaixo de 15 nm com uso de lasers de ArF e fontes de radiação ultravioleta de alta intensidade • Em geral se usa uma máscara para expor o mesmo padrão em vários lugares do waffer76
    • Microusinagem • Circuitos impressos: ablacionando o polímero e expondo os contatos de cobre • Fendas: alguns materiais frágeis são dificilmente usinados mecanicamente para obter fendas, mas podem ser usinados com lasers Excimer ou fs • Nanoestruturas: MEMS (micro electro-mechanical systems) e MOEMS (micro optical electro-mechanical systems) podem ser usinados por fontes ultravioleta • Cirurgia para correção da miopia– ArF (193 nm) é o laser de escolha devido ao baixo comprimento de onda, alto controle do pulso e alta definição da ablação • queratectomia fotorefractiva – remoção de cerca de 5% do tecido sobre a superfície central da córnea. Cada pulso remove cerca de ¼ µm e o tratamento leva cerca de 15 min. • LASIK – laser in-situ queratomileusis – um queratome (disco cortante de alta velocidade) retira uma camada superficial da córnea – o laser age sobre o tecido exatamente abaixo deste.77
    • Processamento por choque • Delaminação de superfícies causada por ondas de choque provenientes da expansão rápida do plasma superficial • O plasma é geralmente causado por pulsos intensos (108 W/mm2) e curtos (3-30 ns) na superfície do material • Uma pequena porção da superfície é vaporizada, mas alguns micrometros abaixo da superfície a pressão sentida é de várias dezenas de GPa. • Estas ondas causam deformação plástica, com aumento da dureza em materiais endurecíveis. • Foi provado o endurecimento em aços estruturais, aços inoxidáveis, ligas de alumínio, ligas de titânio e superligas a base de níquel. • Tem despertado interesse para melhorar a resistência a fadiga em componentes aeronáuticos, limpeza de moldes e próteses médicas Laser shock peening78
    • Processamento por choque - literatura79
    • Efeitos mecânicos Ensaios de tempo de vida em alumínio 7075-T7351, comparando LSP do Inconel 718 um CP não-tratado, delaminado mecanicamente e LSP. Branco – início da trinca, cinza – falha completa.80
    • Conformação com lasers (LBF - laser beam forming) •O LBF é um processo mecânico sem contato realizado pela introdução de tensões térmicas na superfície de um material com laser a fim de induzir a deformação plástica, conforme apresentado esquematicamente na figura. A deformação plástica pode ocorre dentro ou fora do plano da chapa, dependendo das condições do laser, da geometria da peça e das propriedades do material. •A deformação fora do plano é produzida por um alto gradiente térmico dentro do material, resultante de um feixe de laser passando rapidamente sobre o mesmo. Inicialmente, a chapa se dobra ao contrário e, após, na direção do feixe de laser. O processo de encurvamento do perfil é facilitado por um material com baixa condutividade térmica, pequena espessura e por uma varredura rápida do feixe de laser. •A deformação no plano ocorre quando o calor gerado pelo feixe de laser penetra completamente na espessura do material e a geometria da peça garante que não existe encurvamento. A deformação no plano81 resulta em contração do perfil
    • LBF – distribuição de calor82
    • Reviewing • From the commercial point-of-view, laser marking and engraving are more important • Marking is coloration at the materials surface (no phase change) • Engraving is a micromachining method (low and high relief structures) • Marking/engraving is commonly carried out using scanning heads • Microstructuring/microtexturing are methods to produce custom-made structures which are responsible for enhanced surface propertied (friction, wear, chemical, etc.) • Laser hardening is a solid-state phase transformation from austenite to martensite using a laser beam as a heating source • Other melting case methods: Remelting, alloying and cladding • Athermal processing is also very common in medicine and other fields • Stereolithoghaphy, an additive manufacturing method, is due to the athermal polymerization • Optical lithography and micromaching are very widely used to produce electrical devices and in medicine • Laser shock processing produces compressive stresses at the material surface due to plasma implosion with positive influence on fatigue properties. • Laser beam shaping could be used as a source of compressive stresses as well aiming to bend a given structure83
    • Milton S.F. Lima Instituto de Estudos Avançados E-mail: msflima@yahoo.com.br84