Quais materiais e princípios tornam possível a usinagem nanométrica?

A usinagem nanométrica caracteriza-se por uma profundidade de corte crítica extremamente reduzida — em geral entre 0,1 a 0,3 µm —, o que implica taxas de remoção de material relativamente baixas. Apesar disso, tal abordagem se mostra altamente eficaz do ponto de vista econômico quando se busca a produção de superfícies ópticas, esféricas ou não, de alta qualidade, muitas vezes eliminando a necessidade de etapas subsequentes como lapidação e polimento.

Para alcançar a integridade superficial exigida em escala nanométrica, a escolha dos materiais da peça a ser usinada é determinante. É imperativo que esses materiais apresentem baixa afinidade com o material da ferramenta. Caso contrário, ocorre a deposição de partículas do material da peça sobre a ferramenta, acelerando seu desgaste e comprometendo seriamente tanto o acabamento quanto a integridade superficial. Assim, os materiais selecionados devem possuir uma usinabilidade compatível com a obtenção de acabamentos em escala nanométrica.

Além disso, a usinagem nanométrica por meio de moagem em modo dúctil com rebolos de diamante permite o processamento de materiais tradicionalmente difíceis, como cerâmicas e vidros. Alumina, carboneto de titânio, carboneto de silício, nitreto de silício e zircônia estão entre os cerâmicos que podem ser usinados. Do lado dos vidros, materiais como BK7, SF10, ULE e Zerodur são aptos ao processo.

O modelo físico subjacente à usinagem nanométrica não se ancora em planos de cisalhamento contínuos, mas sim em interações discretas entre elementos atômicos ou microestruturais, refletindo a heterogeneidade intrínseca dos materiais em escala atômica. A energia específica envolvida nesse processo é significativamente superior àquela observada na usinagem convencional, dada a predominância das forças interatômicas sobre a simples deformação plástica ou atrito. Nesse regime, a força de corte não se expressa por equações simplificadas, mas como derivada funcional da energia potencial entre átomos.

A compressão do modelo clássico de corte para um domínio atômico exige não apenas ferramentas com integridade geométrica absoluta, mas também um entendimento profundo da interação entre material da peça, material da ferramenta e as condições de corte. A precisão com que se controla a profundidade de corte e a geometria da aresta da ferramenta torna-se, portanto, não um detalhe operacional, mas um fator de viabilidade do processo.

A dominância do diamante como material de ferramenta nesse regime não se dá apenas por sua dureza, mas pela estabilidade térmica, resistência ao desgaste e capacidade de manter uma aresta de corte extremamente afiada em escalas inferiores ao micrômetro. No entanto, essas qualidades só se mantêm efetivas se o material da peça não promover adesão ou reações químicas com o diamante, o que explica a necessidade de selecionar materiais com baixa afinidade química e alta estabilidade estrutural.

Para que o leitor compreenda a complexidade e aplicabilidade da usinagem nanométrica, é importante reconhecer que este processo não substitui a usinagem convencional, mas a complementa em domínios onde precisão, integridade superficial e ausência de defeitos são imperativos — como na fabricação de componentes ópticos, dispositivos semicondutores e elementos microestruturados. A transição entre os regimes convencional e nanométrico não é apenas uma questão de escala, mas de paradigma técnico, exigindo novos modelos físicos, materiais otimizados e controle absoluto dos parâmetros de processo.

Como a nanofabricação por deposição e usinagem transforma materiais e estruturas em escala nanométrica?

A nanofabricação por deposição utiliza uma matriz de “nanopens” capazes de aplicar diretamente uma “tinta” sobre uma superfície, permitindo a criação de estruturas moleculares com precisão nanométrica. O processo consiste em depositar a tinta sobre a superfície e, posteriormente, realizar uma gravação seletiva ao redor das moléculas, criando sulcos e removendo resíduos remanescentes. A estrutura final é analisada por microscopia de força atômica (AFM), que revela as características topográficas da nanostrutura produzida. Um método promissor nesta área é a impressão por jato de tinta, inicialmente desenvolvida para microestruturação em substratos e adaptada para processos de nanofabricação pela ampliação do número de bicos da impressora.

Na fabricação de metais nanostruturados, embora materiais com alta dureza, resistência e ductilidade sejam desejáveis, os métodos tradicionais de manufatura, como a condensação a partir do vapor e a moagem de alta energia, apresentam custos elevados. Alternativas econômicas incluem a deformação plástica severa, como laminação, trefilação, extrusão em canal angular igual e torção sob alta pressão, que promovem o refinamento da microestrutura.

A usinagem surge como uma técnica inovadora para a produção de metais nanostruturados, gerando altos níveis de deformação por cisalhamento (entre 2 e 10), taxas de deformação que podem atingir 10^6 s^-1 e temperaturas elevadas próximas a 0,7 vezes a temperatura de fusão do material. Durante o processo de formação de cavacos, grãos nanométricos são criados, como demonstrado pela técnica de parada rápida, evidenciando a ausência de estrutura granular visível e a presença de grãos submicrométricos.

Imagens obtidas por microscopia eletrônica de transmissão (TEM) mostram que os cavacos possuem estruturas nanocristalinas, com alta densidade de discordâncias e morfologias alongadas, indicando uma deformação severa dos grãos, com dimensões inferiores a 1000 nm. A transição de grãos alongados para grãos equiaxiais com limites de grão de alto ângulo é evidenciada sob aumento progressivo das deformações por cisalhamento, refletindo-se também no aumento da dureza relativa dos cavacos em comparação ao material bruto — geralmente 2 a 3 vezes maior.

Operações convencionais de torneamento tendem a produzir cavacos que não são adequados para processamento posterior eficiente na fabricação de produtos nanocristalinos. Para contornar essa limitação, desenvolveu-se a usinagem assistida por modulação, que possibilita a produção de cavacos unitários com formato e tamanho adequados para infiltração em produtos de micro e macroescala. Essa técnica envolve a modulação do processo de usinagem, incluindo cortes intermitentes e lubrificação apropriada, permitindo a obtenção de cavacos segmentados com grãos na faixa nanométrica. Além de ampliar a gama de ligas e metais processados, a usinagem assistida por modulação reduz custos ao eliminar etapas secundárias de fragmentação, promovendo a fabricação econômica de produtos nanostruturados em larga escala.

A diversidade dos formatos de cavacos produzidos inclui formas de agulhas, plaquetas e grãos equiaxiais, com razões de aspecto que variam de 1 a 200 e tamanhos de partículas entre 10 µm e 2 mm. Estes produtos têm aplicações amplas, abrangendo componentes estruturais e de desgaste, revestimentos finos e espessos, ligas ferromagnéticas e matrizes metálicas e poliméricas. A versatilidade dos metais nanostruturados produzidos por essas técnicas permite sua conformação através de processos como extrusão, compactação vibratória, spray frio, compactação dinâmica, spray térmico e sinterização.