O documento discute tratamentos de superfície com lasers, especificamente marcação e gravação a laser. Marcação a laser é usada para codificar produtos com informações como data de fabricação. Gravação a laser envolve remover pequenas quantidades de material para criar estruturas em alto ou baixo relevo, e é usada em aplicações como moldes e ferramentas.

1. 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 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

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
3

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 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

5. Exemplos
Marcação a laser em componentes Gravação a laser em molde para
eletrônicos. sabonete.
Limpeza a laser de superfícies. Texturização a laser.
5

6. 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 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
laser
7

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.
8

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 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

10. 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
energia
10

11. 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 multimodo
11

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.
Interf.
Criação
gráfica
estereo-
Importação
CAD litografia CAM LASER
Eng. Interf.
reversa composta
www
12

13. 13

14. Na prática...
Materiais
Velocidade
Marcação
a laser
Tolerâncias
Permanência
Flexibilidade ples
m
si
é
o
Nã
14

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 um
parâmetros apropriados, vários lasers podem ser usados
• Semicondutores podem ser marcados por Nd:YAG no começo do
processo de manufatura
• fusão localizada
15

16. Caso: Carl Zeiss marca lentes com excimer
16

17. Exemplos de marcação
17

18. Diagrama de processo
18

19. Aplicações na indústria
Aplicações industriais de marcação a laser
Setor Produto Laser Material
Aeronáutico 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 2–4
Utilidades Informações do CO2 Vidro Plástico/epóxi CO2 6 – 16
domésticas 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 – 16
Eletrônicos Tubos e painéis CO2 pulsado Vidro Isolante de fios Excimer 1–3
Circuitos integrados CO2 Semicondutores Cerâmica Excimer 6 –15
Teclados Nd:YAG Polímeros
pigmentados
Médico Seringas Nd:YAG Polímeros
Containeres Excimer Vidro
Naval Identificação de CO2 Aço estrutural
secções
19

20. 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 cartuchos
20

21. 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 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

23. 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

24. Caso de estudo: Ziploc
24

25. 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
Acabamento
25

26. 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.
Desbaste
26

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
27

28. 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:
• 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) 1285–1292
29

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.
30

31. Microestruturação de componentes de motores
31

32. Microestruturação de componentes de motores
32

33. Efeitos da microtexturização
33

34. Microtexturização de superfícies
• Laser Nd:YAG – sistema especialmente desenvolvido para
microtexturização de superfícies internas cilíndricas.
34

35. 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.
36

37. Fundamentos
Estrutura periódica e
rugosidade
37

38. IEAv e texturização
Foco em ferramentas
Produzir texturas antes do recobrimento
Aumento do tempo de vida
Produtividade
Sustentabilidade
38

39. IEAv e texturização
• 10 years experience Diamond textured
and coated dental
• “customers”: Aeronautics, metal-mechanical,
drill
biomedical.
Iris
diaphragm Scan Head
Unit
CuHBr 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 W
39

40. 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
γ111
Intensity (A.U.)
γ200
α211
α200 α310 + Dissolução de carbono
γ220 γ311 γ400
α220
Lasered Austenitização
M6C M6C
M6C
Original
20 40 60 80 100 120
40 2θ (°
)

41. Aplicações em brocas
Texturização helicoidal com feixe de CuHBr
41

42. 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 brocas
42

43. 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 = 4,6W
43 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.
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

45. Metal Duro
Comparação entre microjateato e laser:
• Excelente controle da rugosidade.
• Adesividade: Laser ≥ microjateado.
45

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
46

47. 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 no
47 componente de tensores.

48. Transformações de fases no estado
sólido induzidas por laser
Têmpera a laser

49. 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 na
49
superfície.

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
50

51. Diagrama Fe-C
51

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.
52

53. CCT (Fe-C)
Perlita grosseira
Perlita fina
Martensita
Têmpera
53

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).
54

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.
55

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.
56

57. Caso de estudo: têmpera de um eixo
automotivo
• Eixo automotivo CVC.
• AISI 1040.
• Substituição da têmpera por
indução.
57

58. Caso de estudo: têmpera de um eixo
automotivo
• MEV
58

59. 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

60. Processos de fusão com lasers
Refusão a laser
Adição 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 processo
envolve a injeção de um pó sobre um pequeno banho líquido gerado
pelo laser sobre o substrato.
61

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
62

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:
θ
Vs=Vb.cosθ
Onde: θ é o ângulo entre Vs e Vb
63

64. 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

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)
65

66. Refusão a laser de
ferros fundidos
66
Adaptado de J. Grum, R. Strum: Mat. Characterisation 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, 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.

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 µm
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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
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70. Processos atérmicos
Transferência ressonante de energia sem mudança na temperatura
Um 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 laser
HPD – derivativo da hematoporfirina
PA – tratamento fotoquímico
SL – estereolitografia
OL – litografia óptica
PRK – queratectomia fotorefractiva
SP – processamento por choque
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72. 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

73. 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

74. Aplicações
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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
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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
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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.
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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
78

79. Processamento por choque - literatura
79

80. 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.
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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
81 resulta em contração do perfil

82. LBF – distribuição de calor
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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 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 structure
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84. Milton S.F. Lima
Instituto de Estudos Avançados
E-mail: msflima@yahoo.com.br
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