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.

Compartilhar Matéria:

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.

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

Compartilhar Matéria:

#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.

Captura de Tela 2016-03-10 às 20.51.35

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.
Compartilhar Matéria:

#1 Processos a LASER: Tratamento térmico

Hoje nós falaremos sobre….

lejesw

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.

Captura de Tela 2016-03-04 às 10.07.58

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.

Compartilhar Matéria:

Diamante perde sua posição de material mais duro do mundo

No final do ano de 2015 foi descoberto por um grupo de pesquisadores da North Carolina State University um novo material derivado do carbono, chamado Q-carbono. O material, denominado pelos cientistas como “terceira fase sólida do carbono”, não pode ser encontrado na natureza, exceto talvez no núcleo de alguns planetas, local em que há temperaturas e pressões elevadas.

sb10065243e-001

Grafite e diamante – as duas outras fases sólidas do carbono.

Por que esta descoberta foi tão importante?

O material chamou a atenção do meio científico assim que se constatou que apresenta resistência e dureza superiores às do diamante, além de ser muito mais acessível do ponto de vista econômico.  Este custo inferior é resultado de um processamento à temperatura ambiente e pressão atmosférica, muito diferente do que ocorre para obtenção do diamante sintético. Para obter o Q-carbono, é necessário cobrir com carbono amorfo um determinado substrato, que pode ser de safira, vidro ou polímeros termoplásticos e então incidir sobre este filme de carbono um pulso de laser de aproximadamente 200 ns de duração, fazendo com que a temperatura do filme alcance cerca de 3727°C. Em seguida, resfria-se o filme amorfo rapidamente, resultando em um filme de Q-carbono de 20 a 500 nm de espessura.

Testes mostraram que além da elevada resistência e dureza, o Q-carbono apresenta ainda caráter ferromagnético, ou seja, é facilmente magnetizável. Assim, o material pode ser atraído por ímãs ou mesmo ser uma possível matéria-prima para produzi-los. Outras características interessantes do Q-carbono são exibir um brilho intenso sob corrente elétrica e uma baixa função trabalho, tornando-o promissor para o desenvolvimento de novas tecnologias na área da eletrônica.

Atualmente, os cientistas conseguiram obter apenas filmes do material, o que ainda limita suas aplicações. No entanto, afirmam estar trabalhando no assunto e pretendem em breve entender melhor como manipular este material. Um outro fato interessante desta descoberta é que ao modificar a intensidade e duração dos pulsos de laser, a equipe consegue obter também estruturas de diamante sintético. Com isso, seria possível obter não somente o Q-carbono, mas também o diamante a partir de condições normais de temperatura e pressão, resultando em muita economia de energia no processamento e, com isso, preços mais acessíveis.

Fontes:

New Form of Carbon Is Harder than Diamonds;

Nova variação do carbono é ainda mais dura que o diamante.

Compartilhar Matéria: