Como projetar bicos supersônicos mínimos para microusinagem a laser sem gerar ondas de choque?

A expansão de fluxo interno constante de regime subsônico para supersônico requer uma geometria convergente-divergente no duto. Entre os diferentes tipos de bicos disponíveis, os bicos de Laval são amplamente reconhecidos por sua capacidade de produzir jatos livres uniformemente expandidos, livres de ondas de choque, quando projetados corretamente. No entanto, a aplicação direta de bicos de Laval em escalas micrométricas apresenta desafios significativos. Em particular, a elevada razão comprimento-diâmetro desses bicos pode interferir com a entrega óptica eficiente do feixe laser, especialmente em contextos de microusinagem, onde o ponto focal do laser precisa ser extremamente pequeno e, portanto, exige óptica de curta distância focal.

A alternativa mais eficaz neste contexto é o uso de bicos de comprimento mínimo (M.L.N. — Minimum Length Nozzles), originalmente desenvolvidos para aplicações aeroespaciais, como em motores-foguete, onde se deseja taxa de fluxo de massa mínima. Ao serem miniaturizados para diâmetros de saída da ordem de 1 mm, esses bicos mantêm as características fundamentais dos jatos supersônicos — baixa taxa de fluxo de massa e baixos níveis de ruído — sem as desvantagens associadas aos bicos maiores, como altos níveis de pressão sonora, que podem atingir até 150 dB a 30 diâmetros de distância da saída em bicos de 8 mm de diâmetro.

Além disso, os M.L.N.s apresentam uma vantagem importante no controle do crescimento da camada limite, que se torna um fator dominante quando as dimensões do bico são muito reduzidas. Enquanto os bicos de Laval apresentam crescimento significativo da camada limite ao longo do contorno, os M.L.N.s — especialmente os com linha sônica reta e simetria axial — minimizam esse efeito, proporcionando um perfil de escoamento mais previsível e uniforme, crucial para a estabilidade dos processos de microusinagem a laser.

O método das características é baseado na análise de linhas de Mach — linhas características ao longo das quais as propriedades do fluxo se mantêm constantes. Essas linhas são classificadas em C+ e C–, dependendo da direção em que se propagam. As equações diferenciais associadas descrevem como essas linhas se comportam dentro da geometria do bico, e como propriedades como ângulo de fluxo e número de Mach se distribuem após os pontos de interseção entre linhas características. Em aplicações axissimétricas, como nos bicos microfabricados para laser, são utilizadas equações de compatibilidade específicas para descrever com precisão as variações do fluxo após esses encontros.

Projetar corretamente o contorno de um bico M.L.N. axissimétrico com linha sônica reta requer estabelecer uma distribuição constante de fluxo de massa entre a garganta e a saída do bico. Esse tipo de perfil é particularmente importante para eliminar a necessidade de misturas gasosas complexas na zona de interação laser-material, promovendo processos mais limpos, controláveis e repetíveis. Um exemplo é o projeto de bicos com garganta inferior a 300 µm, onde o escoamento apresenta estabilidade notável, e onde o comportamento aerodinâmico pode ser previsivelmente manipulado em função da geometria interna.

Para além dos aspectos puramente fluidodinâmicos, o domínio das técnicas de projeto de bicos M.L.N. também exige uma compreensão sofisticada das condições termodinâmicas locais, da interação do jato com o plasma gerado pela ablação do material e da influência de microinstabilidades na interface gás-matéria. Em escalas tão reduzidas, mesmo pequenas variações na rugosidade interna ou na homogeneidade da superfície podem gerar distorções no perfil do jato, afetando diretamente a qualidade do corte ou furo a laser.

É essencial compreender que, ao contrário dos sistemas convencionais, os parâmetros geométricos e operacionais de bicos M.L.N. em microusinagem não podem ser tratados isoladamente. Cada variação de diâmetro, comprimento, ângulo de expansão ou condição de entrada afeta simultaneamente múltiplos aspectos do fluxo, exigindo um equilíbrio criterioso entre eficiência de escoamento, estabilidade do jato, compatibilidade óptica e precisão da interação com o material-alvo. A integração entre simulação computacional precisa e validação experimental se torna, assim, indispensável para alcançar níveis de controle adequados à escala micrométrica.

Como a Escolha de Ferramentas Abrasivas e Modelos de Dissolução Afetam o Processo de Nanolixamento

Ferramentas abrasivas porosas para nanolixamento são compostas por partículas abrasivas de tamanho submicrônico, embutidas em uma ponte vitrificada com porosidade intercalada entre os grãos abrasivos e as pontes de ligação. Essa porosidade varia de 15 a 21%. As pontes vitrificadas são projetadas para promover a formação de texturas que criam cristas de planos de corte e picos de nanolixamento, compostos principalmente por Al₂O₃ nas direções preferenciais (012), (104) e (110). Tais picos, resultantes da modificação da superfície via laser, auxiliam o processo de nanolixamento. As pontes vitrificadas são formadas a partir de vidros que se originam quando argilas, fritas de vidro moído, fluxos minerais como feldspatos e fluxos químicos como o bórax fundem-se em temperaturas de 1000°C a 1200°C. Esses componentes são misturados para criar uma matriz durável que mantém os grãos abrasivos no lugar durante o processo de moagem.

Contudo, o uso de argilas e fluxos à base de argilas apresenta um efeito negativo quando estas contêm quantidades de quartzo livre, o que pode prejudicar a resistência do sistema durante a vitrificação. Ao se solidificar ao redor das partículas de argila e quartzo, a transformação displaciva do quartzo durante o resfriamento pode levar à formação de fissuras no vidro, comprometendo a resistência da ponte de ligação e causando a liberação prematura do grão abrasivo durante o corte do metal.

As falhas nos sistemas de moagem vitrificados estão frequentemente relacionadas a mecanismos de desgaste como a fratura do grão abrasivo durante o corte, fratura das pontes de ligação, fratura mecânica devido a desintegração e fratura nas interfaces entre o grão abrasivo e a ponte de ligação. A probabilidade de falha é maior em rodas de moagem vitrificadas de carbeto de silício devido à falta de uma camada de ligação bem desenvolvida entre o grão abrasivo e a ponte de vidro. A camada de ligação, com espessura de apenas alguns micrômetros, resulta do uso de sistemas de ligação com alto conteúdo de argila. Já os sistemas com maior conteúdo de vidro tendem a decompor agressivamente a superfície dos grãos de abrasivo de carbeto de silício.

A dissolução do quartzo no sistema de ligação, portanto, desempenha um papel fundamental em compensar a redução da espessura das camadas de ligação. A dissolução do quartzo em fase líquida não exige um passo de nucleação, sendo controlada pela taxa de reação da interface de fase, que é governada pela movimentação de íons através dessa interface. Em condições de difusão molecular, a taxa de dissolução é proporcional ao produto do coeficiente de difusão e o tempo.

Com líquidos de alta viscosidade, como os usados nos vidros, a taxa de difusão é muito mais lenta, o que torna o processo de dissolução mais controlado por fenômenos de transferência de material do que por reações de interface. As dificuldades encontradas na modelagem de dissolução surgem principalmente devido ao movimento da fronteira de fase durante o processo de difusão. As novas técnicas de modelagem são necessárias para determinar a quantidade de quartzo remanescente no sistema de ligação após o tratamento térmico.

Além disso, ao desenvolver modelos de dissolução, é necessário considerar a redução da taxa de resfriamento durante a vitrificação para evitar fissuras térmicas na camada de ligação, o que facilita a integridade das pontes de ligação após a formação da roda de moagem. Esses parâmetros são cruciais para garantir a eficiência do processo de nanolixamento e a durabilidade das ferramentas abrasivas.