tratamento de superfície com lasers
Post on 22-Nov-2014
67 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Tratamentos de superfície com lasers
Mudando a superfície e mantendo o núcleo
2
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 aretirada de pequenas quantidades de matéria por ablação (mecanismo deejeção de material por explosões de gases e líquidos em escala micrométrica).Duas técnicas têm sido empregadas para a gravação: rasterização evetorização. 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 estáefetivamente em operação. Já no caso da vetorização, o laser traça segmentosde reta na superfície do material para formar a imagem, com muito mais eficiência que no caso da rasterização.
3
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 epitaxial
4
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 serácondensado 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.
5
Exemplos
Marcação a laser em componentes eletrônicos.
Gravação a laser em molde para sabonete.
Limpeza a laser de superfícies. Texturização a laser.
Marcação a laser
7
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
• 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 laser
Último processo antes da expedição
8
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.
9
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 CO2-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.
10
Equipamento de marcação
Sistema mais econômico, mas com problemas do arco formado pelo feixe (efeito pêndulo). Compensado pelo sistema de focalização
Mais popular: sistema flat-field. Pode-se escolher uma lente com focal mais longa para áreas grandes, ou menor para maior densidade de energia
Máscara
• Máscara• Rasterização• Matriz de pontos
11
Especificações comuns flat-field
76 127 203 mmDiâmetro de campo 76 127 203 mmDistância de trabalho 60.45 187.45 292.10 mmProfundidade de campo 1.50 3.38 5.08 mmLargura de linha 0.064 0.102 0.203 mmResolução 0.0051 0.0076 0.0127 mm/passoDensidade de energia 524 223 102 MW/cm2
Laser 50 W multimodo
Comprimento focal
12
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.
CAD estereo-litografia CAM LASER
Criação
Importação
Eng.reversa
Interf.gráfica
Interf.composta
www
13
14
Na prática...
Marcaçãoa laser
Velocidade
Permanência
Materiais
Tolerâncias
Flexibilidade
Não é simples
15
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 umparâmetros apropriados, vários lasers podem ser usados
• Semicondutores podem ser marcados por Nd:YAG no começo do processo de manufatura• fusão localizada
16
Caso: Carl Zeiss marca lentes com excimer
17
Exemplos de marcação
18
Diagrama de processo
19
Aplicações na indústria
Aplicações industriais de marcação a laser Setor Produto Laser Material
Cabos Excimer Polímero Janelas CO2 Vidro Placas identificadoras de veículos
CO2 Metais
Aeronáutico /automotivo
Displays de painéis Nd:YAG Polímeros Informações do produto
CO2 Vidro
Mármores CO2 Placas de granito/mármore
Utilidades domésticas
Embalagens CO2 Papel Tubos e painéis CO2 pulsado Vidro Circuitos integrados CO2 Semicondutores
Eletrônicos
Teclados Nd:YAG Polímeros pigmentados
Seringas Nd:YAG Polímeros Médico Containeres Excimer Vidro
Naval Identificação de secções
CO2 Aço estrutural
Limiar de marcação típicos Material do substrato
Laser Limiar de densidade de energia (J/cm2)
Papel CO2 2 – 4 Plástico/epóxi CO2 6 – 16 Vidro CO2 15 – 25 Cerâmica CO2 15 – 25 Plástico/epóxi Nd:YAG 1 – 8 Cerâmica Nd:YAG 5 – 16 Isolante de fios Excimer 1 – 3 Cerâmica Excimer 6 –15
20
Custos
• Marcação a laser é usualmente a solução com maior investimento inicial, embora a retribuição em termos de velocidade e confiabilidade mais que compensam o investimento inicial sobre o tempo de vida do produto.
• A impressão por jato de tinta é o competidor direto do laser para marcação automatizada.
• No entanto, os solventes orgânicos usados nas tintas causam sérios problemas à saúde e ambientais
• Brindes marcados a laser podem custar centavos/unidade
kUS$
280
240
200
160
120
80
40
1 2 3 4 5 6 anos
laser CO2
Jato de tinta
A principal fonte de renda dasempresas de impressoras por jato de tinta reside na venda de cartuchos
Gravação a laser
22
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 profundidadesgeralmente 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 !
23
Fabricação de moldes
• 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.)
CAD prototipagem us inagem molde acabado
24
Caso de estudo: Ziploc
25
Etapas da microusinagem a laser
Desbaste
Desbaste
Pré-acabamento
Acabamento
• As etapas do trabalho da peça envolvem a usinagem profunda para retirada de material, uma etapa de pré-acabamento e um acabamento superficial para se obter uma determinada rugosidade
• Este tipo de operação exige um ótimo conhecimento, tanto das características do laser quanto do material a ser usinado.
• No exemplo ao lado, um corpo de prova de aço ferramenta para ser testado antes do molde. Como se vê foi obtido um bom acabamento no fim do processo para uma profundidade de 1.2 mm
26
Absortividade na microusinagem
0
0,1
0,2
0,3
0,4
104 106 108 110 112 114 116 118
CWf=10kHz
-6 -4 -2 0 2 4 6
ββ ββ
L (mm)
Foc
o
L' (mm)
• Quanto menor β mais eficiente o processo ablativo.
• O regime CW transfere mais calor à peça.
• No regime de desbaste β é maior no centro pois o feixe está mais concentrado.
• Quando nos distanciamos do ponto focal a densidade diminui, existe menos material ejetado e o laser funciona apenas como fonte de aquecimento.
• No caso do CW acontece justamente o contrário.
Acabamento
Desbaste
27
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 santinha
Microstructuring
Formação de dimples na superfície
29
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:
Voevodin e Zabinski: Wear 261 (2006) 1285–1292
• 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.
30
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.
31
Microestruturação de componentes de motores
32
Microestruturação de componentes de motores
33
Efeitos da microtexturização
34
Microtexturização de superfícies
• Laser Nd:YAG – sistema especialmente desenvolvido para microtexturização de superfícies internas cilíndricas.
Microtexturização
Formação de padrões periódicos na superfície
36
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.
37
Fundamentos
Estrutura periódica e rugosidade
38
IEAv e texturização
� Foco em ferramentas
� Produzir texturas antes do recobrimento
� Aumento do tempo de vida
� Produtividade
� Sustentabilidade
39
IEAv e texturização
• 10 years experience• “customers”: Aeronautics, metal-mechanical,
biomedical.
CuHBr Laser cavity
Iris diaphragm Scan Head
Unit
Focal lent
Specimen
• CuHBr green, tp = 30 ns, f = 13 kHz, Pmax = 20W• 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 W
Lasers :
Drills Inserts Dies
Diamond textured and coated dental drill
40
Resultados para aço rápido M2
• Fusão – austenita retida – martensita – evolução de carbonetos.
Superfície tratadacom Nd:YAG. Vários tirossobrepostos com 50 µm de diâmetro cada.
20 40 60 80 100 1202θ (°)
Inte
nsity
(A
.U.)
γ111
α110
γ200
α200
γ220
α211
γ311 α220
α310 +γ400
M6C M6C
M6C
Lasered
Original
Dissolução de carbono
Austenitização
Testes padrãoRockwell C
mostram que a camada adere
muito melhorquando esta é
texturizada antes.
41
Aplicações em brocas
Texturização helicoidal com feixe de CuHBr
42
Resultados em brocas
v c Surface condition
Number of holes
Final drill aspect
Original 100 VB = 0.21 mm 22 m/min Lasered 100 VB = 0.11 mm Original 14 - 17 Broken 27.5
m/min Lasered 100 VB = 0.12 mm Original 7 - 8 Broken 33 m/min Lasered 70 - 100 VB = 0.09 mm
Número de furos realizados e estado final das brocas
43
Resultados em matrizes M35
• Controle de ondulação e rugosidade
• Sem transformações de fase aparentes
n = 3, P = 0.5W
n = 1, P = 1W
n = 1, P = 2W
n = 2, P = 2,5W
n = 1, P = 3W
n = 1, P = 4W
n = 3, P = 4W
n = 1, P = 4,6W
n = 2, P = 4,6W
Superfície depois de texturizada
Depois de recoberta.
44
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.
22 condições laser diferentes na mesma peça
Comparison of Surface Treatments
40594 39569
147500125350
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
180000
200000
Nitrited PVD Laser Texturing(4,6x1)
Laser Texturing(4,6x2)
Ave
rage
Too
l Life
(N
umbe
r of
Par
ts)
45
Metal Duro
Comparação entre microjateato e laser:• Excelente controle da rugosidade.
• Adesividade: Laser ≥ microjateado.
46
Aplicações em fresamento
Usinagem a seco de aço P20 para moldes
• Estatisticamente o mesmo tempo de vida laser x microjateado.
• Substituição possível.
Ferro fundido ADI
47
Mecanismos possíveis - microtexturização
• Topografia
• Um padrão ondulado distribui mais uniformemente as tensões entre o revestimento e o substrato.
• Aumento da tenacidade devido à disrupção no componente de tensores.
• Químico
• Eliminação do Co na superfície do metal duro
• Metalúrgico
• Austenitização – fase dúctil – acomoda tensões
• Martensita – fase dura – tensões compressivas na superfície
Transformações de fases no estado sólido induzidas por laser
Têmpera a laser
49
Princípio da têmpera a laser
• 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 na superfície.
Raymax lasers
50
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 Tocha
51
Diagrama Fe-C
52
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.
53
CCT (Fe-C)
Perlita grosseiraPerlita finaMartensita
Têmpera
54
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).
55
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.
56
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.
57
Caso de estudo: têmpera de um eixo automotivo
• Eixo automotivo CVC.• AISI 1040.• Substituição da têmpera por
indução.
58
Caso de estudo: têmpera de um eixo automotivo
• MEV
59
Caso de estudo: têmpera de um eixo automotivo
• Microdureza
200
300
400
500
600
700
800
900
0 100 200 300 400
Depth ( µµµµm)
HV
100g
f
300W
500W
700W
900W
1100W
Processos de fusão com lasers
Refusão a laserAdição de elementos de liga por laser (laser alloying)
Deposição a laser (laser cladding)
61
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 processoenvolve a injeção de um pó sobre um pequeno banho líquido geradopelo laser sobre o substrato.
62
Tipos de processos
Processos de tratamento superficial por laser: a) Refusão, b) Adição de elementos de liga por laser e c) Deposição a laser
63
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:
Vs=Vb.cos θθθθ
Onde: θ é o ângulo entre Vs e Vb
64
Refusão a laser
• Quando a determinação experimental da orientação microestrutural não épossível, 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 θθθθ/cos ϕϕϕϕ
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]
65
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)
66
Refusão a laser de ferros fundidos
Adaptado de J. Grum, R. Strum: Mat. Characterisatio n 37 (1996) 81
67
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, FredericLaser 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: MRS, 2005.
68
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 µµ µµ
m
69
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 Laser
Processos atérmicos
Transferência ressonante de energia sem mudança na temperaturaUm novo patamar do microprocessamento
71
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 laserHPD – derivativo da hematoporfirinaPA – tratamento fotoquímicoSL – estereolitografiaOL – litografia ópticaPRK – queratectomia fotorefractivaSP – processamento por choque
72
Processos derivados
Efeitos fotoelétricosEfeitos fotoelétricos• Impressora a laser
Efeitos fotoquímicosEfeitos 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)
73
Processos derivados
Efeitos fotofísicosEfeitos 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 mecânicosEfeitos mecânicos
•• Um pulso de energia confinado de alta energia promove a compressUm pulso de energia confinado de alta energia promove a compressão ão de uma camada superficial promove:de uma camada superficial promove:•• Transformações de fases induzidas por deformação.Transformações de fases induzidas por deformação.
•• Criação de defeitos.Criação de defeitos.
74
Aplicações
75
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 fotopolimérico
76
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 waffer
77
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.
78
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 peening
79
Processamento por choque - literatura
80
Efeitos mecânicos
LSP do Inconel 718
Ensaios de tempo de vida em alumínio 7075-T7351, comparando um CP não-tratado, delaminado mecanicamente e LSP. Branco –início da trinca, cinza – falha completa.
81
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 plano resulta em contração do perfil
82
LBF – distribuição de calor
83
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 athermalpolymerization
• 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 structure
84
Milton S.F. LimaInstituto de Estudos AvançadosE-mail: msflima@yahoo.com.br
top related