Alternativas laser ao polimento e rebarbagem por processo mecânico

O Instituto Fraunhofer de Tecnologia Laser ILT (Aachen, Alemanha) obteve resultados impressionantes na sua ‘5.ª Conferência sobre Polimento Laser LaP’. Mais uma vez, mais de 70 especialistas de todo o mundo reuniram-se em outubro de 2022 para debater o estado da arte em alternativas baseadas em laser para o polimento de componentes de vidro, metal e plástico, entre outros materiais. A conferência virtual, em inglês, centrou-se na rebarbagem e polimento a laser, assim como em temas relacionados, como a metrologia e o controlo de processos.

Os investigadores de todo o mundo confiam em receitas similares às da comunidade do polimento tradicional, que cada vez mais diz adeus à retificação analógica e se centra na digitalização com a Indústria 4.0, os gémeos digitais e a IA. Todos estes temas estão na agenda da ‘Conferência sobre polimento laser LaP’, para a qual Edgar Willenborg, chefe do Grupo de Polimento do Fraunhofer ILT, convida os participantes a cada dois anos, desde 2014. Dado que a situação das viagens dos participantes da Ásia e da América continuava a ser incerta, a LaP 2022 voltou a ser realizada como conferência online.

No primeiro dia, a 5.ª LaP foi dirigida principalmente às empresas que produzem superfícies óticas e efetuam o polimento de vidro, assim como de plásticos. O evento teve início com uma apresentação desde Jena, um dos centros internacionais de fabrico de vidro e ótica: Anett Jahn, diretora-geral da empresa ShapeFab, e Thomas Schmidt, engenheiro de laboratório do Instituto Günter Köhler de Tecnologia de União e Ensaio de Materiais (ifw), incentivaram os participantes na LaP a utilizar o polimento laser.

A ShapeFab e o ifw combinam processos de fresagem CNC e laser para polir superfícies óticas com dimensões até 250 x 400 mm. Em breve, este método híbrido deverá poder processar qualquer contorno e inclusivamente superfícies complexas com forma livre de modo fiável, rápido e rentável. A empresa e o instituto apresentaram um componente de demonstração complexo de grandes dimensões, que foi produzido num total de sete horas, das quais apenas foram dedicados uns 10 minutos ao polimento laser. O processo de polimento mecânico convencional teria levado até dez horas. Na próxima fase, o grupo quer reduzir ainda mais o tempo de maquinação CNC.

Em Jena, a supervisão do processo do laser com um pirómetro desempenha um papel importante. A supervisão digital com este instrumento de medição também é utilizada por Manuel Jung, do Fraunhofer ILT, que apresentou a configuração de um controlo em circuito fechado de baixo ruído para o polimento laser de óticas na LaP. O cientista, membro da equipa de Willenborg, recomendou a utilização de um software que permita realizar o polimento laser de forma fiável com um desvio máximo da temperatura inferior a 0,5 por cento. Deste modo, a equipa de Aachen pôde reduzir a ondulação (MSFE) até um fator de 10. O cientista espera novas melhorias, visto que o instituto está a desenvolver um processo de controlo térmico ainda mais estável e silencioso que já não utiliza um pirómetro, mas sim uma câmara térmica e sofisticados métodos estatísticos.

Na '5.ª Conferência sobre Polimento Laser LaP 2022', cerca de 70 participantes de todo o mundo debateram a rebarbagem e o polimento com base em laser. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Alemanha.

Jie Qiao, professor associado do Instituto de Tecnologia de Rochester (E. U.A.), explica como utilizar o laser de fentossegundos para corrigir a forma de componentes de vidro com uma resolução de altura de nm. O segredo do sucesso reside num modelo matemático dinâmico capaz de prever a ablação e a evolução da temperatura. A densidade da energia serve de medida para escalar ainda mais o processo. Demonstrado em amostras planas, o processo abre agora caminho para a produção de alta precisão de superfícies ainda mais complexas.

A escala subnanométrica foi também o tema central de Emrah Uluz, investigador associado do Fraunhofer ILT que trabalha na configuração de raios laser LBF. A apresentação do mesmo centrou-se na utilização da ablação com precisão nanométrica para reduzir a ondulação das superfícies polidas de sílica fundida. Um fator essencial neste caso é um laser altamente estável que funcione com potência laser constante (desvio-padrão: ≈ 0,1%). O polimento mecânico clássico do vidro produz repetidamente riscos mais pequenos e maiores que prejudicam a qualidade da superfície do mesmo. Segundo Kerstin Götze, chefe do grupo de polimento laser da Universidade Ernst Abbe de Jena, 99,9% destes riscos podem ser eliminados de forma fiável com o laser de CO2, especialmente quando funciona a baixa velocidade de avanço. O processo demonstrou ser especialmente eficaz para melhorar a qualidade de superfícies curvas e estruturadas.

O professor Jiwang Yan, da Universidade Keio de Yokohama (Japão), observou que os efeitos térmicos durante o polimento mecânico clássico de placas de silício monocristalino provocam danos logo abaixo da superfície. Os especialistas japoneses conseguiram reparar este “dano subsuperficial” sem ablação do material nem contaminação ambiental através de refundição com luz laser verde: A camada refundida cresceu monocristalina sobre o material subjacente. No entanto, isto apenas foi conseguido após uma simulação prévia da estrutura molecular. Após o sucesso das experiências, em Yokohama foram desenvolvidos vários sistemas laser adequados não só para reparar superfícies, mas também para criar superfícies funcionais.

Um interessante fenómeno inspirou o cientista Bowei Luo, do Instituto de Tecnologia da Informação de Shenzhen (China), a combinar o polimento a laser a frio e a quente do carboneto de silício. O polimento deste material cerâmico com um laser UV reduz a rugosidade da superfície a 1,4 μm com uma potência laser de 15 watts. No entanto, a rugosidade da superfície pode ser reduzida ainda mais, até 1,082 μm, pré-aquecendo a cerâmica a 1400 °C com um laser IR. No entanto, para isso também é necessário adaptar e otimizar o processo de laser UV “frio“ao processo IR”quente”. Segundo Luo, a forma do raio laser desempenha um papel fundamental: por exemplo, um feixe laser em forma de chapéu alto uniforme com um diâmetro de 0,32 a 0,54 mm poderá reduzir eficazmente o choque térmico, especialmente nas zonas de polimento dos bordos.

A forma do raio laser também preocupa o cientista Karsten Braun, do Fraunhofer ILT. Desenvolveu estratégias de processo para peças de plástico impressas em 3D cuja rugosidade Sa varia de 14 μm (PA12) a 42 μm (PEEK) em função do material. Ao polir com um laser de CO2 de 120 W na gama de IR médio (comprimento de onda: 10 600 nm), Braun baseia-se num rápido varrimento quase-top-hat (de 5 a 10 m/s) desde uma grande distância (de 100 a 1000 mm). O processo de varrimento é executado até 20 vezes e é controlado por temperatura. Dependendo do material, a rugosidade Sa após o polimento laser é de 0,8 a 0,25 μm.

Edgar Willenborg, do Fraunhofer ILT, apresentou e moderou a LaP. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Alemanha.

O segundo dia da conferência foi dirigido principalmente a empresas que processam componentes metálicos produzidos convencionalmente ou impressos em 3D. Safak Nelsi, professor adjunto da OSTİM Teknik Üniversitesi de Ankara (Turquia), apresentou uma tarefa muito difícil. Divulgou informações sobre o polimento a laser de um componente aeroespacial (Ti48AL2Cr2Nb) produzido através do processo de fusão por feixe de eletrões (Arcam A2X EBM).

Num projeto conjunto com um parceiro industrial, conseguiu reduzir as superfícies, frequentemente muito rugosas, de um componente produzido através de aditivos em cerca de 95% até apenas 1,6 μm. Foi utilizado um laser de fibra IPG de 600 W (comprimento de onda: 1070 nm), que poliu a superfície a uma velocidade de varrimento de 220 mm/s. Os desafios durante os testes foram as fendas superficiais, a ondulação e a oxidação.

Frank E. Pfefferkorn, da Universidade de Wisconsin-Madison, juntamente com o Instituto de Bremen de Tecnologia Aplicada de Raios BIAS, abordou os problemas típicos dos componentes produzidos de forma aditiva num leito de pó através do processo de fusão em leito de pó a laser (LPBF): os componentes produzidos com LPBF costumam ter uma superfície de fraca qualidade devido à aderência parcial de partículas, efeitos de camada e formação de bolas. Em experiências com um componente de cromo-cobalto (Stellite 21), a equipa germano-americana descobriu que o polimento a laser no modo de condução (CM), que se utiliza habitualmente, tem limitações. Em contraste, o polimento a laser no modo de buraco de fechadura (KM) produziu os melhores resultados (rugosidade e ondulação reduzidas), realizando-se a passagem final de polimento através de um processo CM.

A rugosidade superficial dos componentes metálicos produzidos com processos de impressão 3D baseados em laser, ou seja, LPBF, pode reduzir-se através do polimento laser. No entanto, a ondulação continua a ser um problema, como descobriu Laura Kreinest, investigadora do Fraunhofer ILT, durante o polimento a laser de um componente LPBF produzido com aço para ferramentas 1.2343. Inclusivamente, após a execução do polimento a laser 16 vezes, a ondulação Wa continuava a ser de cerca de 1 μm. A cientista resolveu o problema utilizando o processo 'WaveShape' desenvolvido no instituto, que cria a estrutura inversa da ondulação indesejada na superfície metálica através de refundição a laser, reduzindo assim a ondulação.

Com o Dr. Evgueni V. Bordatchev, do Conselho Nacional de Investigação do Canadá, Laura Kreinest, do Fraunhofer ILT, debateu sobre o processo “WaveShape”, que cria estruturas polidas em superfícies metálicas através de refundição laser, reduzindo assim significativamente a ondulação. Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Alemanha.

O professor Yingchun Guan, da Universidade Beihang de Pequim, investigou como é que o polimento laser influencia o comportamento em relação à fadiga de componentes LPBF produzidos com Inconel 718, um conhecido material aeroespacial. Indicou um estudo anterior apresentado na LaP 2020 com componentes de turbinas no qual o polimento laser reduziu a rugosidade Ra de mais de 10 para menos de 0,1 μm. Novas análises demonstraram agora que as propriedades mecânicas também melhoraram: com uma tensão mecânica de 840 MPa, o polimento laser aumenta a resistência à fadiga entre 15 e 20%, em comparação com os valores das superfícies fresadas. Com 500 ou 600 MPa, é igualmente elevada.

Os materiais especiais, como os aços avançados de alta resistência, são interessantes para a construção leve no setor automóvel, visto que têm uma grande resistência (>1000 MPa). No entanto, costumam apresentar microdefeitos nos bordos durante o corte por cisalhamento ou a laser, o que faz com que os componentes sejam suscetíveis de sofrer fendas nos bordos. O cientista Dongsong Li, do Instituto de Metalurgia Ferrosa (Universidade RWTH de Aachen), apresentou um processo de rebarbagem e arredondamento de arestas através de radiação laser, desenvolvido em colaboração com o Fraunhofer ILT. O laser funde o bordo, elimina os microdefeitos e alisa-o. Na experiência, um laser de díodo CW de 4 kW processou com sucesso uma chapa de 1,5 mm de espessura de aço bifásico de alta resistência (resistência: 1000 MPa) a 3,6 m/min. Os testes de expansão de orifícios e os ensaios com diábolos revelam uma melhoria significativa do rendimento após o tratamento com laser. Este processo permite melhorar a capacidade de conformação em mais de 200% antes de aparecerem as primeiras fendas nos bordos.

A supervisão do processo desempenha um papel cada vez mais importante no polimento a laser: Evgueni V. Bordatchev, chefe de equipa do Conselho Nacional de Investigação do Canadá, em Londres (Ontário), e Sven Linden, do Fraunhofer ILT, divulgaram informações sobre a cooperação germano-canadiana neste campo. Para automatizar a configuração de um processo de polimento, integraram um interferómetro de luz branca (WLI), que deteta estruturas superficiais com grande precisão, numa polidora laser.

Como parte da colaboração, também se integrou noutra máquina uma câmara termográfica de alta velocidade. Os dados em tempo real da câmara são utilizados para fechar o circuito de controlo e ajustar os parâmetros. Visivelmente fascinados, os convidados da LaP viram o vídeo de uma câmara de alta velocidade que, a 42 000 fotogramas por segundo, visualizava a solidificação do aço líquido para ferramentas de trabalho a quente (1.2343) no banho de fusão.

A câmara térmica foi utilizada por Daniel Beyfuss, cientista da Universidade de Western Ontario, em Londres (Canadá), para supervisionar os processos de refundição a laser (LRM). O canadiano utilizou a medição ótica coaxial para analisar os efeitos das instabilidades termodinâmicas no processo LRM. Um resultado importante é o papel fundamental do equilíbrio termodinâmico entre a potência laser aplicada e a sua conversão em processos de refundição, visto que influencia significativamente a estabilidade do processo.

O cientista americano Patrick J. Faue, da Universidade de Wisconsin-Madison, deu informações sobre um projeto de investigação com o Instituto de Bremen de Tecnologia de Raios Aplicada BIAS. Centra-se principalmente na obtenção de imagens de raios X de alta velocidade no sincrotrão do prestigiado Laboratório Nacional Argonne (ANL), uma abordagem que disponibilizou interessantes conhecimentos sobre a dinâmica dos cadinhos de fusão durante o polimento a laser. Por exemplo, a equipa de investigação observou como se formam as oscilações do banho de fusão e, portanto, como afetam o buraco da fechadura. Willenborg, do Fraunhofer ILT, iniciador e moderador da LaP, declarou satisfeito após a LaP virtual: “Dezasseis apresentações abrangeram durante dois dias diversos aspetos, desde o polimento clássico do vidro até à análise do banho de fusão num sincrotrão. A mistura marca realmente a diferença: Esta é provavelmente a razão pela qual os 70 participantes estiveram presentes em linha durante toda a conferência. No entanto, apesar do sucesso virtual, desejo voltar a ver a comunidade internacional dedicada ao polimento laser na sexta edição da LaP, que esperamos que volte a realizar-se ao vivo em Aachen, em 2024”.