Materiais fundamentais para a tecnologia Laser – Parte II, tipos de laser e aplicações

Na semana passada vimos que para ser um bom meio ativo para um laser, um material ao receber energia externa deve armazená-la por um tempo relativamente grande e só então liberá-la, permitindo que uma reação em cadeia possa acontecer. Existem quatro grupos de diferentes meios ativos, focaremos nos dois últimos, onde há maior relação com a engenharia de materiais.

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Materiais fundamentais para a tecnologia Laser – Parte I, Fundamentos básicos

Você certamente já ouviu falar de laser; ele está totalmente presente direta e indiretamente em nossa vida – em cirurgias, em procedimentos de estética, em produtos que consumimos que são soldados, cortados, revestidos, marcados ou tratados termicamente por meio dele, em leitores de código de barra, brinquedos, leitores de CD e DVD, em superfícies hidrofóbicas e etc. O laser é muito estudado por nós da engenharia de materiais no que diz respeito a parâmetros, influência do laser sobre materiais e como ele modifica suas propriedades devido ao efeito térmico, ou seja, a abordagem é mais direcionada ao processo. Mas você já parou para pensar que para produzir o laser em si também há muito estudo na nossa área? Isso porque os materiais ali aplicados são muito especiais, como veremos depois de compreender melhor o princípio básico por trás do funcionamento de um laser.

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#2 Processos a LASER: Cladding

Na semana passada começamos uma série aqui no blog sobre processos que podemos realizar nos materiais a LASER. O último post foi sobre tratamentos térmicos e você pode rever ele aqui! Hoje iremos falar sobre outro processo, o Cladding.

Cladding é um processo de revestimento por fusão ou sinterização, onde o feixe do laser é utilizado para fundir ou sinterizar o material de liga no substrato. Um tipo bem comum é utilizar como matéria-prima o pó do metal de liga, que é depositado no substrato como uma camada fundida. Nesse caso uma pequena parte do substrato é fundida. O pó é utilizado porque ele é mais facilmente fundido do que se fosse utilizado, por exemplo, um arame. Isso ocorre por causa da alta energia livre da superfície dos pós.

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Esquema do processo Cladding. [2]

Dependendo das propriedades que se deseja obter escolhe-se a liga que vai ser utilizada, as mais comuns são resistência à corrosão, oxidação e desgaste. Então exemplos de ligas utilizadas são cobalto, ferro e níquel, também carbeto de tungstênio, de titânio e de alumínio e zircônia.

Conforme o tamanho da área que se deseja, da espessura da camada de revestimento e da complexidade da peça escolhe-se o tipo de laser. Para grandes áreas, grande espessura de camada e peças regulares geralmente é utilizado o laser de CO2. O LASER de fibra é mais utilizado para peças complexas e para revestimentos com menos de 1 mm de espessura. (Relembre os tipos de LASER no primeiro post)

A potência utilizada no processo é um fator muito importante, porque caso se utilize uma baixa potência o pó pode não fundir ou sinterizar bem e caso se utilize muita resulta em uma maior área fundida do substrato, gerando uma diluição indesejada do pó com o metal de base, além de gerar grandes tensões no material, que podem criar trincas.

Os principais desafios do Cladding são ter um processo com menor distorção na peça possível, utilizar menos matéria-prima, maior área recobrida possível e forte ligação do revestimento com o substrato.

Esse processo é utilizado muito na indústria automobilística e na aeronáutica, também utilizado como forma de reparo em turbinas desgastadas e como um processo de prototipagem rápida.

Para não perder o costume: segue um vídeo sobre LASER Cladding para a gente conseguir visualizar melhor o processo!

Semana que vem vamos falar sobre soldagem a laser, não perca!

Referências

[1] Ion, John. Laser processing of engineering materials: principles, procedure and industrial application. Butterworth-Heinemann, 2005.

[2] Dowden, John, ed. The Theory of Laser Materials Processing: Heat and Mass Transfer in Modern Technology. Vol. 119. Springer Science & Business Media, 2009.
[3] Salehi, D.; Brandt, M. “Melt pool temperature control using LabVIEW in Nd: YAG laser blown powder cladding process.” The international journal of advanced manufacturing technology 29.3-4 (2006): 273-278.
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#1 Processos a LASER: Tratamento térmico

Hoje nós falaremos sobre….

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gatos LASER!

O LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) virou sinônimo para precisão, qualidade e velocidade. É muito utilizado porque é uma máquina flexível em relação aos processos que nela podem ser feitos, o feixe de luz possui propriedades únicas e é uma intensa fonte de energia.

Pode ser utilizado da indústria médica até na bélica, não faltam aplicações para eles! No processamento de materiais isso não é diferente, existem muitos processos que podemos utilizar. Nessa e nas próximas 2 semanas falaremos sobre 3 processos (Tratamento térmico, cladding e soldagem) que são muito estudados, a interação deles com o material e também suas vantagens.

Os LASERS podem se dividir em três categorias, dependendo do tipo do seu meio ativo: líquido, gasoso e sólido. Os dois tipos que hoje são mais estudados e aplicados nos processamentos de materiais são:

LASER de CO2

Esse é um LASER gasoso baseado numa mistura de dióxido de carbono (CO2), que será estimulado eletricamente. Eles são mais utilizados para trabalhar com materiais não metálicos, na maioria dos casos polímeros. Porém isso não significa que não possam ser utilizados em metais! Eles possuem uma alta qualidade do feixe e eficiência.

LASER de fibra

Pertencem ao grupo dos LASERS de fase sólida, como o nome já diz, o meio ativo do laser é um material sólido. A vantagem desse equipamento é que pode-se obter um diâmetro focal muito pequeno, ou seja, a intensidade pode chegar a 100 vezes mais do que o de CO2. Geralmente são utilizados em metais para fins de marcação, soldagem e tratamento térmico.

Tratamento térmico

O tratamento térmico a LASER é um processo autógeno (não há adição de material), possui o objetivo de tratar termicamente uma área pré-selecionada da peça sem fundir o material e tem o princípio muito parecido com os processos tradicionais: Os maiores candidatos para receberem o tratamento são materiais ferrosos (aços e ferros fundidos).

O processo ocorre da seguinte forma: Uma fina camada é aquecida acima da temperatura de austenitização e é resfriado em uma taxa muito alta, produzindo então uma estrutura martensítica. O tratamento com uma região da superfície e profundidade definidas propicia uma melhoria das propriedades tribológicas do material, como resistência ao desgaste, à corrosão e à fadiga.

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Modelo de funcionamento do tratamento térmico feito com LASER. O feixe (LASER Beam) é passado pela peça e forma uma região tratada (Heat Treat Depth). Fonte imagem

No vídeo abaixo dá para ver como acontece o processo:

Com esse processo é possível obter uma alta taxa de produção, as taxas de distorção no material são baixas e é possível realizar um tratamento térmico local (no tradicional geralmente a peça inteira tem que ser submetida), geralmente não é necessário fazer a têmpera em meio líquido, há baixo nível de contaminação e áreas difíceis da peça podem ser submetidas ao tratamento. Além disso, por fazer o tratamento em apenas uma região da peça e realizar o processo em minutos, possui alta produtividade, ou seja, é mais barato na maioria das vezes do que os processos convencionais quando for utilizado em grande escala.

As desvantagens do processo são o custo (no caso de uma pequena produção), alto investimento inicial, mão-de-obra qualificada e a manutenção do equipamento.

Lembrando que nas próximas semanas falaremos mais sobre LASER e será focado na parte de cladding e soldagem.

Referências:

Majumdar, J.D.; Manna, I. “Laser processing of materials.” Sadhana 28.3-4 (2003): 495-562.

Laser Types

SOARES, E.J.F. Tratamento Superficial a Laser dos aços AISI 1045 e AISI 4340: Transformações Microestruturais e Propriedades. 2005. 145 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Estadual de Campinas. Campinas, 2005.

Ion, John. Laser processing of engineering materials: principles, procedure and industrial application. Butterworth-Heinemann, 2005.

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Metais hidrofóbicos a partir de lasers!

Cientistas da Universidade de Rochester, que fica em Nova York, descobriram uma forma de transformar metais comuns como titânio, platina e latão, em materiais muito hidrofóbicos com pulsos de laser de 1fs (10^(-15) segundo)! Ou seja, não são utilizados revestimentos temporários, como a maioria dos produtos já existentes, e sim é intrínseco do material.

University of Rochester Institute of Optics professor Chunlei Guo has developed a technique that uses lasers to render materials hydrophobic, illustrated in these images taken in his lab December 19, 2013.  // photo by J. Adam Fenster / University of Rochester

Gota de água sobre material. Fonte: University Rochester

Esses materiais são muito importantes, pois são resistentes à oxidação, não congelam e reduzem a adesão de contaminantes na superfície. Por exemplo, uma de suas possíveis aplicações é na indústria aeronáutica, na fabricação das superfícies de aviões, já que precisam evitar o congelamento de água na fuselagem ou até mesmo canos de ar de refrigeradores e de ares condicionados.

Pode-se fazer uma analogia do metal com as folhas de lótus, que possuem uma microestrutura em torno de 10-50 μm e uma nanoestrutura de 200 nm. Essa estrutura junto com uma cera epicuticular hidrofóbica cria um material super hidrofóbico, que possui um efeito auto-limpante, pois quando a água cai sobre as folhas, ela leva consigo as partículas de sujeira.

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Folha de lótus. Fonte

Segundo o paper publicado pelos pesquisadores Guo e Vorobyev no Journal of Applied Physics, o processo através dos pulsos de laser consiste em criar uma superfície com um padrão complexo de nano (5-10 nm)  e microestruturas (75-100 μm), que concedem aos materiais propriedades assim como as das folhas acima.  E a parte mais interessante disso tudo é que o metal é intrinsecamente hidrofílico e após o processo com laser ele se torna mais hidrofílico ainda. Então como ele vira hidrofóbico? O segredo é o contato com o ar, essa transição pode ser explicada através de uma reação química entre a superfície e o CO2, que resulta numa acumulação de carbono e seus compostos na superfície tratada.

Para possuírem esse efeito auto-limpante e serem considerados super hidrofóbicos, o material deve ter um ângulo de contato de pelo menos 150°, um pequeno ângulo de deslizamento <10° e a adesão entre a superfície e as partículas de sujeira deve ser menor do que entre essas partículas e a água. E os resultados obtidos foram um ângulo de contato de 158° e ângulo de deslizamento de 4º.

No vídeo podemos ver como funciona esse efeito da folha de lótus nos metais super hidrofóbicos:

http://http://www.youtube.com/watch?v=1CYJtJWbnk0

Nesse outro mostra um pouco mais sobre o material, como ele funciona na prática e os seus benefícios em relação a outros materiais (compara até com o Teflon, sobre o qual já escrevemos aqui).

Até semana que vem!

Fontes:

Rochester University

A. Y. Vorobyev; Chunlei Guo. Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses. Journal of Applied Physics 117, 033103 (2015); doi: 10.1063/1.4905616.

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