tratamentos de superficie com lasers

Download Tratamentos de superficie com lasers

Post on 24-May-2015

2.922 views

Category:

Technology

2 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

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

TRANSCRIPT

  • 1. Tratamentos de superfcie com lasers Mudando a superfcie e mantendo o ncleo

2. Relevncia Conforme se v na Figura, os processos detratamento superficial com lasers correspondem poruma parcela significativa das aplicaes de lasers depotncia. Marcao - onde o laser colore a superfcie peladegradao do material exposto ao feixe. A marcaoa laser geralmente toma forma como um cdigoalfanumrico impresso em uma etiqueta ou produtopara descrever a data de fabricao e validade, onmero de srie ou cdigo, ou ainda um cdigo debarras Gravao - tanto em baixo como em alto relevo, tm como caracterstica aretirada de pequenas quantidades de matria por ablao (mecanismo deejeo de material por exploses de gases e lquidos em escala micromtrica).Duas tcnicas tm sido empregadas para a gravao: rasterizao evetorizao. Na rasterizao o feixe laser continuamente ligado e desligadoenquanto o laser atravessa o material, exatamente como acontece em umaimpressora a laser, sensibilizando apenas as regies onde o laser estefetivamente em operao. J no caso da vetorizao, o laser traa segmentosde reta na superfcie do material para formar a imagem, com muito maiseficincia que no caso da rasterizao.2 3. Relevncia Dentro da classe outros da Figura 2 encontram-se uma srie de outros processos importantes que,no entanto, no atingiram um nvel de maturidadecomercial to elevado quanto a marcao e agravao a laser. Especificamente, nostratamentos de superfcie temos: Refuso a laser: processo onde o laser interagecom a superfcie do material produzindo fusolocalizada e resfriamento rpido, promovendo umacamada resolidificada com propriedades diferentesdaquelas do volume da pea Laser cladding: um processo onde, ao mesmotempo que o laser interage com o material, umfluxo de p injetado. O laser funde as partculasjunto com o substrato produzindo um revestimentoepitaxial3 4. Relevncia Tmpera a laser: um processo que o laser aquece e resfria rapidamente asuperfcie do material, sem no entanto fundi-lo, promovendo a formao damartensita em aos. Tambm possvel a formao de martensita em outrossistemas como ferro fundido e titnio. LPVD e PCVD: trata-se de uma variao dos processos de PVD (PhysicalVapour Deposition) e CVD (Chemical Vapour Deposition) onde o laser interagecom um alvo para produzir o filme fino sobre uma pea. O laser pode serfocalizado sobre um alvo metlico para produo de vapor que sercondensado em outro lugar (LPDV) ou pode ser dirigido para um vapor queproduzir um depsito por pirlise (LCVD). Limpeza a laser: um processo onde uma camada indesejvel, contaminada, expulsa da superfcie do material por ablao de um feixe laser de altaintensidade. Por exemplo, este processo tem sido utilizado nodescomissionamento de usinas nucleares com a eliminao de camadas deurnio depositadas sobre equipamentos dentro de uma cmara especial. Texturizao a laser: um processo para criao de rugosidade sobre asuperfcie do material por meio da fuso localizada e ablao de quantidadesnfimas de material. O processo bastante preciso e permite obterrugosidades desde alguns nanmetros at centenas de micrometros.4 5. Exemplos Marcao a laser em componentes Gravao a laser em molde para eletrnicos.sabonete. Limpeza a laser de superfcies. Texturizao a laser.5 6. Marcao a laser 7. Marcao a laser (laser marking) Usado para marcar ou codificar um produto Vrios exemplos: Data de manufatura Data de validade Nmero de srie Nmero de parte Cdigo de barras ltimo processo antes da expedio Matriz ID Gradaturas em seringas Decorativo (brindes) Embalagens Vantagens: indelevilidade, confiabilidade (reproducibilidade), semconsumveis, limpo, alta velocidade Desvantagem: nem todos os materiais so marcveis com um dadolaser7 8. Mecanismos de marcao Carbonizao (preto) e descolorao aquece-se acima datemperatura de degradao ou de ativao/decomposio de umdeterminado pigmento. Modificao fsico-qumica sem fuso fazendo a regioaquecida reagir com um elemento (slido, lquido ou gs) parapromover a transformao de uma fina camada do substrato. Fuso fuso controlada de uma sequncia de pontos ou linhasde tal forma a produzir um contraste. Ablao, microfissuras e microbolhas a superfcie do material aquecida acima da temperatura de vaporizao, provocando aretirada de camadas nfimas de material, ou provocando defeitoscomo microfissuras (vidro) ou microbolhas (polmeros) dando ocontraste. Combinao de processos o que mais comum.8 9. Caractersticas Flexibilidade Limpeza Produtividade Investimento inicial alto, mas custos operacionais so baixos Mtodos em competio com a gravao a laser Jato de tinta permanncia e legibilidade, o investimento de uma impressora de jato de tinta = de um laser CO 2-TEA, necessita-se levar em conta o preo do cartucho. Estampagem - matriz necessria (ela se desgasta facilmente), deforma o substrato. Etiquetas pr-impressas - desperdcio, normalmente se produz em lotes (milheiros), apresenta pouca flexibilidade. Ataque qumico - lento, eventualmente causa dano localizado, problemas ambientais com o descarte. Puncionamento, silkscreen, pantografia... altos custos de consumveis, geralmente fazem muita sujeira.9 10. Equipamento de marcao Mscara Rasterizao Matriz de pontosMscaraSistema maisMais popular:econmico,sistema flat-mas com field. Pode-seproblemas doescolher umaarco formadolente compelo feixefocal mais(efeito longa parapndulo). reasCompensadograndes, oupelo sistemamenor parade focalizaomaiordensidade deenergia10 11. Especificaes comuns flat-field Comprimento focal76 127203 mmDimetro de campo 76 127203 mmDistncia de trabalho60.45 187.45 292.10 mmProfundidade de campo 1.503.38 5.08 mmLargura de linha 0.0640.1020.203 mmResoluo 0.0051 0.0076 0.0127 mm/passoDensidade de energia 524 223102 MW/cm2Laser 50 W multimodo11 12. Software Os maiores avanos nos ltimos anos em marcao a laser esto na parte do software de controle. Atualmente os softwares envolvem Interface Grfica com o Usurio (GUI), incluindo modernos sistemas de CAD/CAM. No incomum encontrar sistemas de marcao a laser totalmente automatizadas que funcionam 24h por dia. Interf. Criao grficaestereo-Importao CAD litografia CAM LASER Eng. Interf. reversacomposta www12 13. 13 14. Na prtica... MateriaisVelocidade Marcaoa laserTolerncias PermannciaFlexibilidadeples m si oN14 15. Propriedades dos materiais Metais e ligas: refletem CO2, absorvem bem Nd:YAG e excimer mecanismos de marcao: descolorao, oxidao e ablao uma camada pode ser ablacionada (anodizao sobre Al) ou pigmentospodem ser adicionados (pintura prvia+laser+limpeza) Polmeros (como poliestireno ou polipropileno) absorvem mal o CO2 e o Nd:YAG pigmentos (0,1%vol, p.e.) aumentam bastante a absoro estes no podem mudar as propriedades fsico-qumicas do composto edevem ser atxicos no caso de contato com alimentos Vidros normalmente fazem uso de lasers de CO2 ou excimer (quando se deseja minizar as micro-trincas) Cermicos so limitados pelo problema do trincamento, mas com um parmetros apropriados, vrios lasers podem ser usados Semicondutores podem ser marcados por Nd:YAG no comeo do processo de manufatura fuso localizada15 16. Caso: Carl Zeiss marca lentes com excimer16 17. Exemplos de marcao17 18. Diagrama de processo18 19. Aplicaes na indstria Aplicaes industriais de marcao a laserSetor ProdutoLaser MaterialAeronutico CabosExcimer Polmero/automotivo JanelasCO2 VidroPlacas CO2 Metais Limiar de marcao tpicosidentificadoras de Material doLaser Limiar de densidadeveculos substratode energia (J/cm2)Displays de painisNd:YAGPolmeros PapelCO2 24UtilidadesInformaes do CO2 Vidro Plstico/epxi CO2 6 16domsticasprodutoVidroCO2 15 25Mrmores CO2 Placas de Cermica CO2 15 25 granito/mrmore Plstico/epxi Nd:YAG18Embalagens CO2 Papel Cermica Nd:YAG5 16Eletrnicos Tubos e painisCO2 pulsado Vidro Isolante de fios Excimer 13Circuitos integrados CO2 SemicondutoresCermica Excimer 6 15Teclados Nd:YAGPolmeros pigmentadosMdicoSeringas Nd:YAGPolmerosContaineresExcimer VidroNaval Identificao de CO2 Ao estruturalseces19 20. CustoskUS$ Marcao a laser usualmente a280 Jato de tinta soluo com maior investimento inicial, embora a retribuio em 240 termos de velocidade e confiabilidade mais que200 compensam o investimento inicial 160 sobre o tempo de vida do produto. laser CO2 A impresso por jato de tinta o120 competidor direto do laser para 80 marcao automatizada. No entanto, os solventes orgnicos40 usados nas tintas causam srios 1 2 3 4 5 6 anos problemas sade e ambientaisA principal fonte de renda das Brindes marcados a laser podem empresas de impressoras porjato de tinta reside na venda custar centavos/unidadede cartuchos20 21. Gravao a laser 22. Gravao a laser como processo de usinagem Micro-usinagem de materiais para produo de estruturas em alto ou baixo relevo Envolve fuso/evaporao localizada do material em profundidades geralmente acima de 0,1 mm, o que necessita de vrios passes do laser Principais aplicaes em moldes, matrizes e ferramentas Tcnicas: mscara, rasterizao ou matriz de pontos Os mesmos termos de usinagem convencional so utilizados aqui: Fora de usinagem = energia do laser Velocidade angular = frequencia Torque = potncia ... Grande vantagem trabalhar-se com materiais j endurecidos !22 23. Fabricao de moldesCADprototipagem usinagemmolde acabado O laser no capaz de usinar grandes superfcies, pois mais demorado e custoso que as modernas tecnologias de fabricao Em geral, so usinados insertos (peas menores inseridas nos moldes) ou reas especficas (logos, marcas, etc.)23 24. Caso de estudo: Ziploc24 25. Etapas da microusinagem a laser As etapas do trabalho da pea envolvem a usinagem profunda para retirada de material, uma etapa de pr-acabamento e umDesbaste acabamento superficial para se obter uma determinada rugosidade Este tipo de operao exige um timo conhecimento, tanto das Desbaste caractersticas do laser quanto do material a ser usinado. No exemplo ao lado, um corpo de prova de ao ferramenta para se