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CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DA MICROUSINAGEM

POR ABLAÇÃO A LASER

Douglas Silva de Vasconcellos

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

título de Engenheiro Mecânico.

Orientadora: Carolina Palma Naveira-Cotta

Rio de Janeiro

Abril de 2016

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ

CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DA MICROUSINAGEM

POR ABLAÇÃO A LASER


PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

ABRIL DE 2016

ii

Vasconcellos, Douglas Silva de

Caracterização Experimental da Microusinagem por Ablação a

Laser / Douglas Silva de Vasconcellos – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola

Politécnica, 2016.

XV, 79 p.: il.; 29,7cm.


Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de

Engenharia Mecânica, 2016.

Referências Bibliográficas: p. 74-76.

1.Microfluidica. 2.Ablação. 3.Laser Nd:YAG. 4.Metais. 5.LTCC.

I. Carolina Palma Naveira-Cotta. II. Universidade Federal do Rio de

Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III.

Caracterização Experimental da Microusinagem por Ablação a Laser

iii

“Do or do not, there is no try.” Yoda

iv

AGRADECIMENTOS

Não foram apenas os últimos anos que me formaram Engenheiro Mecânico. Essa

formação começou 26 anos atrás. Então, eu gostaria de iniciar os agradecimentos por

quem esteve comigo desde o início.

Agradeço a minha mãe Geisa, que cuidou muito bem de mim e me apoiou durante

todos esses anos. Ao meu irmão Davi, Engenheiro Mecânico que usou da sua experiência

para me orientar sempre que eu passei por qualquer tipo de dúvida durante a faculdade.

Ao meu falecido pai Filipe, que, infelizmente, não teve a chance de estar conosco durante

o meu crescimento, mas que se sentiria muito orgulhoso vendo os dois filhos seguindo

seus passos e se tornando engenheiros. E também a todos os outros familiares.

À professora Carolina Cotta e ao doutor Christopher Tostado por terem me

orientado durante esse projeto, sempre dedicando o tempo necessário quando precisei.

Aos alunos e pesquisadores do LabMEMS, que me fizeram companhia, me

apoiaram e me ajudaram durante todo o tempo que estive trabalhando nesse projeto.

À toda equipe do LASUP, onde trabalhei por um ano, por terem contribuído na

minha preparação como engenheiro.

A todos que já foram integrantes da Equipe Minerva Baja UFRJ, especialmente

Rodrigo, Larissa, Felipe Cristaldi, César, Fred e Matheus Berlandi. Nunca esquecerei dos

dois anos que passei trabalhando lá, no que havia se tornado uma segunda casa, e não

apenas um local de trabalho.

A todos os professores que tive na vida, desde o ensino fundamental até o último

período da graduação.

A todos meus amigos da UFRJ, que estiveram comigo durante esses últimos anos,

ajudando quando podiam e distraindo quando precisava. Um obrigado especial a Raslan,

Sara, Zélia, Pedro, Lucas, Cid e Vinícius.

A todos meus amigos de fora da UFRJ também.

E a todos que passaram pela minha vida e contribuíram de alguma maneira para

que eu chegasse aqui. Todos vocês foram essenciais.

v

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica / UFRJ como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DA MICROUSINAGEM POR ABLAÇÃO

A LASER


Abril/2016


Curso: Engenharia Mecânica

No estudo de microfluidica, a fabricação de diferentes geometrias, como microcanais e

meios porosos, é necessária para possibilitar diferentes estudos e processos. Uma das

maneiras de fabricar essas geometrias é através da ablação a laser, que faz a remoção do

material através da termodegradação do mesmo devido à irradiação de uma grande

concentração de energia. O laser estudado neste projeto é do tipo Nd:YAG de 532nm de

comprimento de onda, 2W de potência nominal e 10µm de diâmetro no foco. Esse laser

possibilita a usinagem de diferentes metais e materiais cerâmicos. Este trabalho tem como

objetivo caracterizar os parâmetros da ablação, como velocidade de corte, distância fora-

de-foco, número de passes, frequência e potência utilizada, possibilitando, assim,

controlar a qualidade da superfície usinada e a profundidade e a espessura dos

microcanais. Foram testados quatro diferentes metais: cobre, latão, alumínio e aço inox.

Os resultados foram observados atráves de um microscópio 3D Digital - Hirox KH-8700.

Microcanais com espessura mínima de 15µm e profundidade mínima de 5µm foram

fabricados.

Palavras-chave: Microfluidica, Ablação, Laser Nd:YAG, Metais, LTCC.

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Engineer.

EXPERIMENTAL CHARACTERIZATION OF THE MICROFABRICATION USING

LASER ABLATION


April/2016

Advisor: Carolina Palma Naveira-Cotta

Course: Mechanical Engineering

In microfluidic, the fabrication of different geometries, like microchannels and porous-

medias, is necessary to allow different studies and processes. One of the ways to fabricate

said geometries is through laser ablation, a process that removes material through its

thermodegradation due to irradiation of a high concentration of energy. The studied laser

in this project was a Nd:YAG type with a wavelength of 532nm, nominal power of 2W

and 10µm of on-focus-diameter. This laser allows the fabrication in different metals and

ceramic materials. This work has the purpose to characterize the ablation's parameters,

such as cutting velocity, out-of-focus distance, number of passes, frequency and utilized

power, making possible to control the ablated surface quality and the depth and width of

the microchannels. Four different metals were tested: copper, brass, aluminum and

stainless steel. The results were observed using a 3D Digital microscope - Hirox KH-

8700. Microchannels with minimum width of 15µm and minimum depth of 5µm were

fabricated.

Key-words: Microfluidic, Ablation, Laser Nd:YAG, Metal, LTCC.

vii

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................... ix

LISTA DE TABELAS .................................................................................................. xiii

LISTA DE SIGLAS ...................................................................................................... xiv

LISTA DE SÍMBOLOS ................................................................................................. xv

1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 1

1.1 Contextualização .................................................................................................. 1

1.2 Objetivo ................................................................................................................ 4

1.3 Revisão Bibliográfica ........................................................................................... 5

2 PROPRIEDADES DO LASER ND:YAG ................................................................... 8

3 METODOLOGIA ....................................................................................................... 11

3.1 Procedimento experimental ................................................................................ 11

3.1.1 Faceamento das peças ................................................................................... 11

3.1.2 Ablação ......................................................................................................... 12

3.1.3 Limpeza por Ultrassom ................................................................................ 16

3.1.4 Caracterização dos canais ............................................................................. 18

3.2 Perfil do canal ..................................................................................................... 18

3.3 Avaliação da qualidade do canal ........................................................................ 19

3.4 Representação gráfica ......................................................................................... 21

3.5 Frequência do Laser............................................................................................ 21

3.6 Velocidade de Corte ........................................................................................... 23

3.7 Distância focal .................................................................................................... 26

3.8 Potência do Laser................................................................................................ 28

3.9 Número de passes ............................................................................................... 28

3.9.1 Avanço .......................................................................................................... 29

3.9.2 Passe ............................................................................................................. 30

3.9.3 Combinação de deslocamentos ..................................................................... 30

viii

4 TESTES EM METAIS ............................................................................................... 35

4.1 Ablação do Cobre ............................................................................................... 35

4.1.1 Velocidade de corte ...................................................................................... 36

4.1.2 Distância fora-de-foco .................................................................................. 37

4.1.3 Potência do Laser.......................................................................................... 41

4.1.4 Avanço .......................................................................................................... 43

4.1.5 Passes ............................................................................................................ 43

4.2 Latão ................................................................................................................... 47

4.3 Aço Inoxidável ................................................................................................... 50

4.4 Alumínio ............................................................................................................. 52

5 PROCESSO DE FABRICAÇÃO ............................................................................... 55

6 APLICAÇÕES ........................................................................................................... 60

6.1 Microtrocador de calor em Latão ....................................................................... 60

6.2 Corte de fita supercondutora 2G HTS ................................................................ 65

6.3 Corte de cerâmica verde LTCC .......................................................................... 67

7 CONCLUSÕES E SUGESTÕES ............................................................................... 71

7.1 Sugestões de trabalhos futuros ........................................................................... 72

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................... 74

APÊNDICES .................................................................................................................. 77

A. Tabela de resultados para canais com mais de 400µm de profundidade ............ 77

B. Código em Python do programa para adaptação do código G para ser utilizado na

ablação a laser ............................................................................................................. 78

ix

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1: Microdispositivo fabricado em Latão com camada de Estanho. ................... 1

Figura 1.2: Microdispositivo fabricado em Acrílico. ....................................................... 1

Figura 1.3: Microdispositivo feito em UA pelo processo de litografia macia após sua

remoção do molde de acrílico. (Colman, 2015) ............................................................... 2

Figura 1.4: Microfresa de topo de 500µm de diâmetro. (Colman, 2015) ......................... 3

Figura 1.5: Microdispositivo usinado por microfresamento. (Moraes, 2015) .................. 3

Figura 1.6: Microdispositivo usinado por ablação a laser de CO2 já instalado no

experimento. ..................................................................................................................... 4

Figura 1.7: Furos passantes em cobre com laser Nd:YAG de 532nm (Tunna, et al., 2000).

.......................................................................................................................................... 5

Figura 1.8: Microválvula usinada por ablação a Laser (Mai, et al., 2002). ...................... 6

Figura 1.9: Camada de LTCC usinada por ablação a laser (Cunha, 2012). ..................... 6

Figura 1.10: Distância entre poros em PMMA (Pare, et al., 2014). ................................. 7

Figura 1.11: Canais usinados em diferentes meios. Adaptado de (Tangwarodomnukuna,

et al., 2015). ...................................................................................................................... 7

Figura 2.1: Distribuição do campo elétrico em volta do foco de um laser Gaussiano

(Paschotta, 2008). ............................................................................................................. 8

Figura 2.2: Mapa da distribuição da irradiação de um Laser Gaussiano. Adaptado de

(Alda, 2003) ...................................................................................................................... 9

Figura 2.3: Representação do perfil do laser Gaussiano. Adaptada de (LIDARIS, 2016).

........................................................................................................................................ 10

Figura 3.1: Procedimento experimental.......................................................................... 11

Figura 3.2: Microfresadora CNC Minitech Mini-Mill/GX. ........................................... 12

Figura 3.3: Máquina de ablação a laser Alpha Series Oxford Laser Machine ............... 13

Figura 3.4: Foto da parte interna da máquina de ablação a laser Alpha Series Oxford Laser

Machine. ......................................................................................................................... 14

Figura 3.5: Tela ilustrativa do software Cimita .............................................................. 15

Figura 3.6: Sensor para de potência do Laser. ................................................................ 16

Figura 3.7: Máquina de limpeza ultrassom UltraCleaner 800A ..................................... 17

Figura 3.8: Antes e depois da limpeza. ........................................................................... 17

Figura 3.9: Microscópio digital 3D Hirox KH-8700 ...................................................... 18

Figura 3.10: Representação do perfil do canal. .............................................................. 19

x

Figura 3.11: Rugosidade Total. Adaptado de (Olympus, 2016). .................................... 19

Figura 3.12: Modelos feitos em CAD para exemplificar diferentes valores de

Irregularidade.................................................................................................................. 20

Figura 3.13: Gráfico da Potência [W] e Fluência [J/cm²] pela Frequência [Hz]. ........... 22

Figura 3.14: Gráfico do produto entre Potência e Fluência pela Frequência. ................ 22

Figura 3.15: Representação da sobreposição dos pulsos do Laser ao longo da usinagem.

........................................................................................................................................ 23

Figura 3.16: Gráfico teórico da Distância necessária para alcançar a velocidade [µm] pela

Velocidade de Corte [mm/s]. .......................................................................................... 24

Figura 3.17: Imagem das extremidades dos canais para as velocidades: 10, 15, 20 e

25mm/s. .......................................................................................................................... 25

Figura 3.18: Perfis das seções longitudinais das extremidades dos canais para as

velocidades: 10, 15, 20 e 25mm/s................................................................................... 25

Figura 3.19: Representação simplificada da parte interna da máquina. ......................... 26

Figura 3.20: Gráfico da relação entre Raio [µm] do laser e Distância Fora-de-foco [mm].

........................................................................................................................................ 27

Figura 3.21: Gráfico da relação entre Fluência [J/cm²] do laser e Distância Fora-de-foco

[mm]. .............................................................................................................................. 27

Figura 3.22: Gráfico da relação entre Fluência [J/cm²] e Potência [%] ......................... 28

Figura 3.23: Representação do avanço para a estimativa do tamanho da região sobreposta.

........................................................................................................................................ 29

Figura 3.24: Representação de passes contínuos. ........................................................... 30

Figura 3.25: Representação de passes alternados. .......................................................... 31

Figura 3.26: Medições 3D do canal usinado com passes contínuos. .............................. 31

Figura 3.27: Perfil do canal usinado com passes contínuos. Medidas em micrômetros. 32

Figura 3.28: Representação 3D do canal usinado com passes alternados. ..................... 32

Figura 3.29: Perfil do canal usinado com passes alternados. Medidas em micrômetros.

........................................................................................................................................ 33

Figura 3.30: Representação do perfil de um canal feito com múltiplos passes e avanços.

........................................................................................................................................ 33

Figura 4.1: Peça de Cobre utilizada nos testes. Possui as dimensões 34x14x2.75mm. . 36

Figura 4.2: Gráfico da relação entre a Velocidade de Corte [mm/s] com a Profundidade

do canal [µm]. ................................................................................................................. 36

xi

Figura 4.3: Gráfico da relação da Irregularidade do canal pela Velocidade de Corte

[mm/s]. ............................................................................................................................ 37

Figura 4.4: Gráfico da relação entre as Profundidades [µm] dos canais e Distância Fora-

de-foco [mm]. ................................................................................................................. 38

Figura 4.5: Gráfico da relação entre as Larguras da borda superior [µm] dos canais e

Distância Fora-de-foco [mm]. ........................................................................................ 38

Figura 4.6: Histograma da relação entre a Irregularidade dos canais e Distância Fora-de-

foco [mm]. ...................................................................................................................... 39


foco [mm] para canais feitos com 2 passes. ................................................................... 40

Figura 4.8: Canal apresentando geometria de degrau..................................................... 40

Figura 4.9: Gráfico da relação entre Profundidade [µm] e Potência [%] ....................... 41

Figura 4.10: Gráfico da relação entre Largura da borda superior [µm] e Potência [%] . 42

Figura 4.11: Microdispositivo fabricado na Microfresadora CNC (Junior, et al., 2015).

........................................................................................................................................ 47

Figura 4.12: Peça de Latão utilizada nos testes. Possui as dimensões 40x20x2,1mm. .. 48


de-foco [mm] para o Latão. ............................................................................................ 48

Figura 4.14: Gráfico da relação entre as Largura da borda superior [µm] dos canais e

Distância Fora-de-foco [mm] para o Latão. ................................................................... 49


foco [mm] para canais feitos com 2 passes para o Latão. .............................................. 49

Figura 4.16: Peça de Aço Inoxidável utilizada nos testes. Possui as dimensões

45x20x3mm. ................................................................................................................... 50


de-foco [mm] para o Aço Inoxidável. ............................................................................ 50

Figura 4.18: Gráfico da relação entre as largura da borda superior [µm] dos canais e

Distância Fora-de-foco [mm] para o Aço Inoxidável. .................................................... 51


foco [mm] para canais feitos com 2 passes para o Aço Inoxidável. ............................... 51

Figura 4.20: Peça de Alumínio utilizada nos testes. Possui as dimensões 45x20x3mm. 52


foco [mm] para canais feitos com 1 passe para o Alumínio. .......................................... 52

xii


foco [mm] para canais feitos com 2 passes para o Alumínio. ........................................ 53


de-foco [mm] para o Alumínio. ...................................................................................... 54

Figura 5.1: Painel de escolha de Frequência no Cimita. ................................................ 56

Figura 5.2: Painel de controle do Laser no Cimita. ........................................................ 57

Figura 5.3: Posicionamento da peça. .............................................................................. 57

Figura 5.4: Fixação da peça. ........................................................................................... 58

Figura 5.5: Botão de abertura e fechamento do obturador de segurança. ...................... 58

Figura 5.6: Painel de controle do posicionamento do Laser no Cimita. ......................... 59

Figura 6.1: Sistema do microrreator. (Moraes, 2015) .................................................... 60

Figura 6.2: Modelo em CAD do microtrocador de calor. .............................................. 61

Figura 6.3: Peça de latão com estanho antes da ablação. ............................................... 61

Figura 6.4: Representação do Microtrocador de Calor. Dimensões em milímetros....... 62

Figura 6.5: Foto tirada durante o processo de usinagem do microtrocador de calor. ..... 63

Figura 6.6: Microtrocador de calor. ................................................................................ 64

Figura 6.7: Imagem 3D gerada pelo microscópio Hirox KH-8700 da interseção em T do

microcanal. ..................................................................................................................... 64

Figura 6.8: Representação da fita supercondutora 2G HTS. Adaptado de (SuperPower,

2016). .............................................................................................................................. 65

Figura 6.9: Geração de corrente induzida por fitas HTS 2G (Sass, et al., 2015). .......... 65

Figura 6.10: Foto da fita supercondutora 2G HTS SF12050. ......................................... 66

Figura 6.11: Imagem do corte da fita supercondutora gerada pelo microscópio digital

Hirox KH-8700. .............................................................................................................. 67

Figura 6.12: Exemplo da fabricação de uma estrutura básica tridimensional em LTCC

(Matsumoto, et al., 2002). .............................................................................................. 68

Figura 6.13: Diagrama da fabricação de um dispositivo tridimensional completo em

LTCC (Cunha, 2012). ..................................................................................................... 68

Figura 6.14: Fita verde da LTCC de 120µm de espessura. ............................................ 68

Figura 6.15: Corte em "L" na LTCC. Zoom: 50x. ......................................................... 70

Figura 6.16: Corte na LTCC. Zoom: 350x. .................................................................... 70

Figura 7.1: Ablação do cobre através do vidro. .............................................................. 73

xiii

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1: Características da plataforma Aerotech PRO115-200. ................................ 13

Tabela 4.1: Propriedades térmicas dos metais testados (MatWeb, 2016). ..................... 35

Tabela 4.2: Caracterização da geometria dos canais simples. ........................................ 41

Tabela 4.3: Modelo linear da relação entre Profundidade [µm] e Potência [%] ............ 42

Tabela 4.4: Modelo potencial da relação entre Largura da borda superior [µm] e Potência

[%] .................................................................................................................................. 43

Tabela 4.5: Caracterização da geometria de canais usinados com múltiplos passes para

DFF de -0,1mm. ............................................................................................................. 44


DFF de -0,15mm. ........................................................................................................... 44


DFF de -0,2mm. ............................................................................................................. 44

Tabela 4.8: Limite de número de passes-duplos para canais com até 100 µm de espessura

de entrada para DFF de -0,1mm. .................................................................................... 45


de entrada para DFF de -0,15mm. .................................................................................. 45


de entrada para DFF de -0,2mm. .................................................................................... 45

Tabela 4.11: Variação da profundidade para canais com espessura de entrada de até

150µm. ............................................................................................................................ 46

Tabela 4.12: Variação da profundidade para canais com espessura de entrada de até

400µm. ............................................................................................................................ 46

Tabela 6.1: Propriedades térmicas do Latão e do Estanho (MatWeb, 2016). ................ 62

Tabela 6.2: Propriedades térmicas da LTCC (MatWeb, 2016). ..................................... 69

Tabela 7.1: Valores de DFFs para os metais testados. ................................................... 71

Tabela A.1: Variação da profundidade para canais com espessura de entrada de até

700µm. ............................................................................................................................ 77

xiv

LISTA DE SIGLAS

LabMEMS Laboratório de Nano e Microfluídica e Microssistemas

PDMS Dimetil polissiloxano

UA Uretana Acrilato

OSTE Off-Stoichiometry Thiol-Enes

PMMA Polimetilmetacrilato

CO2 Dióxido de Carbono

Yb:YAG Ytterbium-Doped Yttrium Aluminium Garnet

Nd:YVO4 Neodymium-Doped Yttrium Orthovanadate

Nd:YAG Neodymium-Doped Yttrium Aluminium Garnet

UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro

CNC Computer Numerical Control

CAD Computer Aided Design

DFF Distância fora-de-foco

PD Passe-duplo

CAM Computer Aided Manufacturing

HTS High-Temperature Superconductor

LTCC Low-Temperature Co-fired Ceramic

(RE)BCO Rare Earth Barium Copper Oxide Elements

MCM MultiChip Module

PSO Position Synchronized Output

xv

LISTA DE SÍMBOLOS

𝜔 Raio do laser [µm]

𝜔0 Raio do laser no foco [µm]

𝑧 Distância fora-de-foco [mm]

𝑧𝑅 Distância de Rayleigh [mm]

𝜆 Comprimento de onda [nm]

𝐹 Fluência do laser [J/cm²]

𝑃𝑜𝑡 Potência do laser [W]

𝑡𝑃 Tempo de duração do pulso [s]

𝐴 Área de aplicação do pulso [cm²]

𝑓 Frequência do laser [Hz]

𝑊𝑆 Largura da borda superior do canal [µm]

𝑊𝐵 Largura da base do canal [µm]

𝐻 Profundidade média do canal [µm]

𝜃 Ângulo de inclinação do canal [°]

𝐻𝑀𝐴𝑋 Profundidade máxima do canal [µm]

𝑅𝑇 Rugosidade total [µm]

𝑂𝑥 Porcentagem da área sobreposta na direção de corte [%]

𝑂𝑦 Porcentagem da área sobreposta na direção de avanço [%]

𝐷 Diâmetro do laser [µm]

𝑑 Maior comprimento da área sobreposta [µm]

𝑣 Velocidade de corte [mm/s]

𝑎 Avanço [µm]

𝐻𝑎 Profundidade máxima da região afetada pela aceleração [µm]

𝐺𝑎 Grau de Alteração da Profundidade devido à Aceleração

1

1 INTRODUÇÃO

1.1 Contextualização

Microfluídica é a ciência que estuda a dinâmica de uma diminuta quantidade de

fluido - de 10-9 a 10-18 litros, - em microcanais e/ou outras microgeometrias, como meios

porosos e microcavidades, de dimensões inferiores a 1mm. Essa tecnologia possibilita um

estudo de baixo custo e espaço laboratorial utilizado devido à pequena quantidade usada

de amostras e reagentes, curto tempo de análise, condições bem controladas para reações

químicas e alta resolução e sensibilidade na caracterização. A microfluídica é aplicada

em diversos campos, como análise molecular, microeletrônica, meios porosos, processo

de produção de biodiesel e microtrocadores de calor (Whitesides, 2006). As Figuras 1.1

e 1.2 mostram exemplos de microdispositivos fabricados no LabMEMS em latão, com

camada de estanho, e em acrílico, respectivamente.

Figura 1.1: Microdispositivo fabricado em Latão com camada de Estanho.

Figura 1.2: Microdispositivo fabricado em Acrílico.

2

Uma das grandes dificuldades no ramo da microfluídica é a fabricação dos

microssistemas citados anteriormente, devido às diminutas dimensões e grande precisão

requeridas. Atualmente, existem diversas técnicas utilizadas nesta fabricação, sendo as

mais comuns: litografia macia, microfresamento e ablação a laser.

A litografia macia é o processo de moldagem usando materiais elastômeros como

PDMS (Dimetil polissiloxano), UA (Uretana Acrilato), OSTE (Off-Stoichiometry Thiol-

Enes) em um molde de material fotossensível, como acrílico, fabricado por fotolitografia.

Na fotolitografia, o material fotossensível é exposto a uma fonte de luz, podendo essa

fonte ser ultravioleta, raio x, feixe de íons e outras, através de uma máscara óptica, de

modo a transferir a microgeometria contida na máscara ao molde. Atualmente, este é o

método mais comum de fabricação, mas, devido à limitação de materiais onde ele pode

ser aplicado, é necessário o estudo de outros meios (Iliescu, et al., 2012). Na Figura 1.3

há um exemplo de um microdispositivo fabricado em UA após sua remoção do molde de

Acrílico (PMMA).

Figura 1.3: Microdispositivo feito em UA pelo processo de litografia macia após sua remoção do molde de

acrílico. (Colman, 2015)

O microfresamento usa ferramentas de corte rotacionais para a remoção do

material e pode ser usado em polímeros, materiais cerâmicos e metais. Essa técnica deriva

do fresamento tradicional, que tem origem no século XIX. A desvantagem desse método

se dá devido ao alto custo por geometria usinada devido a pequena vida útil e alto preço

das ferramentas (Guckenberger, et al., 2015). Diferentemente do fresamento tradicional,

este processo exige altas rotações da ferramenta devido ao pequeno diâmetro, o que

impossibilita o uso de máquinas de fresamento convencionais que não alcançam essas

velocidades de rotação necessárias. Na Figura 1.4 tem-se a imagem de uma ferramenta

de 500µm de diâmetro e na Figura 1.5, um microdispositivo usinado por microfresamento

3

Figura 1.4: Microfresa de topo de 500µm de diâmetro. (Colman, 2015)

Figura 1.5: Microdispositivo usinado por microfresamento. (Moraes, 2015)

Ablação é a remoção de material via termodegradação e consequente evaporação

do mesmo. Na ablação a laser, essa evaporação ocorre devido à alta concentração de

energia no ponto de aplicação do laser. Existem vários tipos de laser, como de CO2

(Dióxido de Carbono), Yb:YAG (Ytterbium-Doped Yttrium Aluminium Garnet),

Nd:YVO4 (Neodymium-Doped Yttrium Orthovanadate), Nd:YAG (Neodymium-Doped

Yttrium Aluminium Garnet) entre outros, que possuem a diferença principal na faixa de

comprimento de onda.

Dentro dos tipos de laser, ainda há lasers com diferentes valores de potência,

comprimento de onda, diâmetro e duração do pulso. Esses diferentes lasers podem usinar

diferentes materiais com variadas precisões e geometrias. Por exemplo, lasers de CO2

conseguem usinar diferentes tipos de polímeros e materiais cerâmicos como vidro, mas

não possuem concentração de energia suficiente para usinar metais (Pare, et al., 2014).

Enquanto isso, lasers do tipo Nd:YAG possuem uma concentração de energia suficiente

4

para usinar metais e diferentes cerâmicas inorgânicas, mas polímeros e materiais

transparentes, como vidro e quartzo, são transparentes para este comprimento de onda da

luz do laser (Powell, et al., 2004). Na Figura 1.6 têm-se a foto de um microdispositivo

feito por ablação a laser de CO2 já instalado no experimento.

Figura 1.6: Microdispositivo usinado por ablação a laser de CO2 já instalado no experimento.

1.2 Objetivo

A tecnologia de ablação a laser ainda é recente, tendo suas origens nos anos 1960

(Miller, 1993) e só começando a ser aplicada em microfluídica no início do século XXI

(Mai, et al., 2002), ainda estando em fase de desenvolvimento. Devido a diferentes tipos

de laser, a diferentes fatores, como comprimento de onda e potência, de lasers de um

mesmo tipo, e a diferentes materiais que podem ser usinados, ainda não há um estudo

completo para otimizar a ablação para cada laser, como acontece no caso de

microfresamento (Groover, 2010).

O objetivo deste trabalho é de estudar a influência de cada parâmetro de fabricação

controlável durante a ablação, como a velocidade de corte, frequência do laser, potência

utilizada, distância fora-de-foco e número de passes, a fim de controlar a ablação de

diferentes metais e saber previamente a configuração necessária para usinar canais de

geometria proposta. Foram feitos testes experimentais usando cobre, latão, alumínio e aço

inoxidável, com diferentes configurações para observar o comportamento do laser e

permitir o melhor controle da usinagem.

5

1.3 Revisão Bibliográfica

A ablação a laser vem sido estudada para a aplicação na fabricação de

microdispositivos desde o início do século XXI. Tunna, et al. (2000) estudou o

comportamento do uso de lasers Nd:YAG com diferentes comprimentos de onda na

ablação do cobre, concluindo que se alcança a maior taxa de remoção de material com

532nm de comprimento de onda. Na Figura 1.7 pode ser visto as imagens do

microscópico de furos passantes usinados em um substrato de 0,25mm de espessura de

cobre utilizando laser Nd:YAG de 532nm de comprimento de onda com as diferentes

intensidades: (a), (b) 12,37GW/cm²; (c), (d) 9,26GW/cm²; (e), (f) 5,46GW/cm².

Figura 1.7: Furos passantes em cobre com laser Nd:YAG de 532nm (Tunna, et al., 2000).

Mai, et al. (2002) estudou a fabricação de microválvulas em cobre utilizando Laser

Nd:YAG de 12W de potência nominal. Ele alcançou a usinagem de geometrias com cerca

de 300µm de profundidade e rugosidade variando entre 6 e 9µm. Na Figura 1.8, pode-se

ver a ilustração de uma das microválvulas usinadas pela ablação.

6

Figura 1.8: Microválvula usinada por ablação a Laser (Mai, et al., 2002).

Henry, et al. (2004) apresentou critérios de escolha do laser para o processo de

fabricação desejado, buscando um equilíbrio entre produtividade e qualidade. Ele chegou

à conclusão que usar lasers com maior comprimento de onda e duração do pulso pode

aumentar a velocidade do processo em troca de resolução e qualidade da superfície

usinada.

Cunha (2012) mostra a aplicação da ablação a laser Nd:YAG na microfabricação

de microrreatores em material LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic). Esse

material possibilita a fabricação de geometrias tridimensionais, removendo a necessidade

da selagem. É feita a usinagem de várias camadas finas (aproximadamente 120µm de

espessura) para depois sinterizar essas camadas (em temperatura de cerca de 900°C) com

o objetivo de formar a geometria tridimensional. Uma camada usinada por ablação pode

ser vista na Figura 1.9.

Figura 1.9: Camada de LTCC usinada por ablação a laser (Cunha, 2012).

7

Pare, et al. (2014) fez a caracterização da microusinagem de materiais poliméricos

usando laser de CO2, usinando microdispositivos em PMMA com precisão de 100µm.

Ela fabricou meios porosos, que são dispositivos de geometrias complexas, com distância

entre poros mínima de cerca de 185µm, como visto na Figura 1.10.

Figura 1.10: Distância entre poros em PMMA (Pare, et al., 2014).

Tangwarodomnukuna, et al. (2015) estudou o uso de fluidos para resfriamento

durante a ablação com laser de CO2. Ele mergulhou os substrados de PMMA em Água e

Etanol e comparou os resultados da qualidade da superfície usinada. A ablação em meios

líquidos apresentou uma maior qualidade e menor zona afetada pelo calor, porém a rápida

solidificação do material removido causou obstrução do canal e microrrachaduras. A

Figura 1.11 compara a geometria dos canais feitos nos diferentes meios.

Figura 1.11: Canais usinados em diferentes meios. Adaptado de (Tangwarodomnukuna, et al., 2015).

8

2 PROPRIEDADES DO LASER ND:YAG

Antes de começar a estudar a interação entre o laser e o material usinado, é preciso

entender as propriedades do próprio laser. Lasers do tipo Nd:YAG (Neodymium-Doped

Yttrium Aluminium Garnet) são lasers de estado sólido, isto é, que usam componentes

sólidos como meio ativo, formados de óxido de ítrio e alumínio cristalino e enriquecido

de neodímio, formando a espécie Nd:Y3Al5O12 (Paschotta, 2008). O laser possui um

formato Gaussiano, que é o formato mais comum e desejado dos raios lasers, isso

significa que na distância focal do laser, o diâmetro é mínimo e a concentração de energia

é máxima (Alda, 2003). A Figura 2.1 representa a distribuição do campo elétrico em volta

do foco de um laser Gaussiano para ilustrar a variação do diâmetro e concentração de

energia.

Figura 2.1: Distribuição do campo elétrico em volta do foco de um laser Gaussiano (Paschotta, 2008).

Lasers Gaussianos possuem as propriedades de variação de raio e distribuição de

intensidade simplificadas, facilitando o entendimento de como a concentração de energia

varia com o afastamento da distância focal no sentido de propagação do laser (Alda,

2003). O raio do laser Gaussiano, ao que se afasta do foco, é definido de acordo com a

seguinte equação (Alda, 2003):

𝜔(𝑧) = 𝜔0√1 + (𝑧

𝑧𝑅)

2

2.1

Onde ω0 é o raio do laser no foco e 𝑧𝑅 é a Distância de Rayleigh, que tem o

seguinte valor:

𝑧𝑅 =𝜋𝜔0

2

𝜆 2.2

https://pt.wikipedia.org/wiki/Neod%C3%ADmio

https://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dtrio

https://pt.wikipedia.org/wiki/Alum%C3%ADnio

https://pt.wikipedia.org/wiki/Oxig%C3%AAnio

9

A distância de Rayleigh é a distância a partir do foco, no sentido da propagação

do laser, onde o laser pode propagar sem que os raios sofram uma divergência

significativa (Alda, 2003). O laser utilizado no trabalho possui raio no foco de 5µm e

comprimento de onda de 532nm, logo, a sua distância de Rayleigh é de 0,15mm.

Além do raio do laser, outro fator que deve ser considerável é como a irradiação

se comporta quando se distância do foco na direção do laser (coordenada z) e também

quando se afasta do centro do laser na direção radial (coordenada x). A Figura 2.2 mostra

o mapa da distribuição da irradiação de um laser gaussiano na região do foco. As linhas

brancas representam o diâmetro do laser e o ponto claro corresponde ao nível mais alto

de irradiação.

Figura 2.2: Mapa da distribuição da irradiação de um Laser Gaussiano. Adaptado de (Alda, 2003)

À medida que se aproxima do centro do laser na distância focal, a irradiação

aumenta. Após alcançar a distância de Rayleigh do laser, ela se torna insignificante (Alda,

2003).

Durante a ablação, a quantidade de energia irradiada pela área de aplicação do

laser – a chamada fluência – deve ser grande o bastante para evaporar o material no ponto

de aplicação, mas não grande o suficiente para derreter uma quantidade considerada de

material na zona afetada pelo calor (Henry, et al., 2004).

10

A fluência pode ser calculada seguindo a seguinte equação (LIDARIS, 2016):

𝐹 [𝐽

𝑐𝑚2] =𝑃𝑜𝑡.𝑡𝑝

𝐴 2.3

Sendo 𝑃𝑜𝑡 a potência do laser [W], 𝑡𝑝 o tempo de duração de cada pulso [s] e 𝐴 a

área do pulso [cm²], que, como o laser possui um formato gaussiano, é uma área circular

que varia com o afastamento do laser do foco devido ao aumento de seu diâmetro. Essa

área está ilustrada pela Figura 2.3.

Figura 2.3: Representação do perfil do laser Gaussiano. Adaptada de (LIDARIS, 2016).

O tempo de duração do pulso varia com a frequência utilizada, de acordo com a

equação:

𝑡𝑝 =1

𝑓 2.4

Combinando as equações 2.3 e 2.4, chega-se na equação final que relaciona a

fluência com os parâmetros controláveis do laser:

𝐹 =𝑃𝑜𝑡

𝐴.𝑓 2.5

Através dessa relação, é possível prever que a quantidade de material removido

aumenta com a diminuição da frequência e aumenta com a potência utilizada de maneira

linear.

11

3 METODOLOGIA

O estudo da influência dos parâmetros de ablação foi feito através da fabricação

de microcanais em substratos de diferentes metais. Neste capítulo serão apresentados os

equipamentos utilizados durante o processo de fabricação por ablação, o comportamento

esperado da influência dos parâmetros da ablação e o critério de avaliação dos

microcanais usinados durante os testes. Todos as fabricações e caracterizações dos

microcanais realizadas neste trabalho foram feitos no Laboratório de Nano e

Microfluídica e Microssistemas (LabMEMS) da Universidade Federal do Rio de Janeiro

(UFRJ).

3.1 Procedimento experimental

O procedimento experimental é dividido em três partes: o faceamento das peças

na microfresadora CNC, a ablação dos microcanais e a limpeza das peças por ultrassom.

Essa sequência de procedimento está representada na Figura 3.1 abaixo.

Figura 3.1: Procedimento experimental.

3.1.1 Faceamento das peças

Como a variação da distância fora-de-foco do laser influencia diretamente na

geometria dos microcanais, as peças a serem utilizadas na usinagem a laser precisam ser

12

preparadas por uma operação de faceamento para garantir o paralelismo e ter precisão

nos resultados. A operação de preparo foi realizada na microfresadora CNC (Computer

Numerical Control) Minitech Mini-Mill/GX, utilizando uma fresa de 4 dentes com 3mm

de diâmetro. A microfresadora CNC utilizada é mostrada na Figura 3.2.

Figura 3.2: Microfresadora CNC Minitech Mini-Mill/GX.

3.1.2 Ablação

Para a realização dos experimentos, foi utilizado o equipamento Alpha Series

Oxford Laser Machine, equipado com um Laser Nd:YAG com as seguintes

características:

Diâmetro no foco de 10µm;

Comprimento de onda de 532nm;

Potência nominal máxima de 2W;

Frequência variando entre 10 e 50000Hz.

13

A parte externa da máquina pode ser vista na Figura 3.3 abaixo.

Figura 3.3: Máquina de ablação a laser Alpha Series Oxford Laser Machine

A máquina de ablação inclui uma plataforma Aerotech PRO115-200, que é

separada entre a base XY, que efetua os movimentos nas direções X e Y, e o eixo Z, que

efetua o movimento do laser na direção Z. De acordo com o manual da máquina, a

plataforma possui as seguintes especificações:

Tabela 3.1: Características da plataforma Aerotech PRO115-200.

Eixo X Y Z

Distância de Trabalho [mm] 200 200 100

Resolução [µm] 0,5 0,5 0,5

Repetitividade [µm] ±1 ±1 ±1

Precisão [µm] ±8 ±8 ±8

Velocidade máxima [mm/s] 300 300 100

Aceleração [mm/s²] 1000 1000 1000

14

A parte interna da máquina pode ser vista na Figura 3.4, onde os eixos, a lente do

laser e o exaustor, que tem a função de remover o vapor do material usinado, estão

indicados.

Figura 3.4: Foto da parte interna da máquina de ablação a laser Alpha Series Oxford Laser Machine.

O controle do laser é feito através do software Cimita v4.0.21.0 da Oxford Lasers.

A Figura 3.5 ilustra uma tela de trabalho deste software, que permite o ajuste dos

parâmetros de usinagem:

Frequência do laser: pelo valor em Hertz;

Velocidade de corte: pelo valor em milímetros por segundo;

Distância fora-de-foco: pela posição do eixo Z em milímetros;

Potência utilizada: pela porcentagem da potência máxima.

15

Figura 3.5: Tela ilustrativa do software Cimita

16

O controle da usinagem é todo feito utilizando Código G – mesma linguagem

utilizada em máquinas CNC convencionais – com algumas adaptações para o laser. Essas

adaptações estão noo cabeçalho do programa, onde deve-se adicionar os comandos para

conferir se o obturador de segurança da máquina está aberto

“SAFETYSHUTTER_CHECK” e o comando para definir a porcentagem da potência do

laser utilizada “FARCALL "ATTENUATOR.PGM" s$POWER”, e ao longo do programa,

onde o laser deve ser desligado “BEAMOFF” nas regiões que não devem ser usinadas e

religado “BEAMON” quando voltar às regiões usinadas.

A potência utilizada do laser é medida através de um sensor de resfriamento de ar

capaz de medir até 20W. O sensor está mostrado na Figura 3.6.

Figura 3.6: Sensor para de potência do Laser.

3.1.3 Limpeza por Ultrassom

Após a ablação dos canais na peça, as regiões usinadas e as zonas próximas

apresentam um depósito - que aumenta na proporção do volume total de material

removido durante a ablação, - de material removido que não foi sugado pelo exaustor da

máquina. Assim, a peça deve sofrer um processo de limpeza após a ablação.

O processo escolhido foi a limpeza por ultrassom, utilizando a máquina

UltraCleaner 800A. A peça fica mergulhada em uma solução de água e detergente, a uma

temperatura de 60±6°C, que é fixada pela máquina, por 45 minutos, tempo mínimo

17

necessário para a limpeza da peça, observado em testes. A UltraCleaner 800A é mostrada

na Figura 3.7 e a diferença de uma superfície usinada por ablação antes e depois da

limpeza está representada na Figura 3.8.

Figura 3.7: Máquina de limpeza ultrassom UltraCleaner 800A

Figura 3.8: Antes e depois da limpeza.

18

3.1.4 Caracterização dos canais

As caracterizações dos canais foram feitas utilizando o microscópio digital 3D

Hirox KH-8700 (ilustrado na Figura 3.9), que permite a reconstrução 3D dos canais com

resolução de até 0,1µm na medição das dimensões fabricadas e zoom máximo de até 2500

vezes.

Figura 3.9: Microscópio digital 3D Hirox KH-8700

3.2 Perfil do canal

O formato Gaussiano do laser causa a usinagem de um canal com um perfil

também Gaussiano. As dimensões importantes estão representadas na Figura 3.10 e são

a largura da borda superior (WS), profundidade do canal (H), largura da base (WB) e

ângulo de inclinação (θ). A fim de simplificar os valores das dimensões dos canais, eles

foram aproximados para um trapézio, como representado pela linha tracejada na figura.

19

Figura 3.10: Representação do perfil do canal.

Ao decorrer dos testes, as dimensões medidas foram a largura da borda superior,

baseada na altura da superfície que não sofreu ablação, profundidade e ângulo de

inclinação. A largura da base foi calculada com os valores das medições, seguindo a

equação abaixo.

𝑊𝐵 = 𝑊𝑆 −2𝐻

𝑡𝑔𝜃 3.1

3.3 Avaliação da qualidade do canal

Com a finalidade de avaliar os microcanais usinados via ablação a laser, a

rugosidade total (representada na Figura 3.11) na direção da movimentação do laser será

considerada.

Figura 3.11: Rugosidade Total. Adaptado de (Olympus, 2016).

20

Como os canais variam consideravelmente de profundidade e dificilmente se

consegue um valor absoluto de rugosidade total abaixo de 1µm, o que será utilizado para

dar a avaliação final da qualidade do canal será a razão entre a rugosidade total e a

profundidade média (calculada pela Equação 3.2) do canal, razão que levará o nome de

irregularidade. Por exemplo, um canal de 15µm de profundidade e rugosidade total de

3µm, neste caso apresenta uma irregularidade igual a 0,33 e será considerado um canal

de pior qualidade comparado a um canal de 60µm de profundidade com 6µm de

rugosidade total, que tem uma irregularidade de 0,10.

Para facilitar a visualização da irregularidade, foram feitos os modelos ilustrativos

em CAD na Figura 3.12. Nesta figura pode-se observar quatro valores de irregularidade:

10, 20, 30 e 40%.

Figura 3.12: Modelos feitos em CAD para exemplificar diferentes valores de Irregularidade.

O aumento da irregularidade pode ser causado tanto devido a uma exagerada

irradiação, que causa derretimento da zona afetada pelo calor próxima dos canais, como

devido à uma relação entre frequência e velocidade baixa, fazendo com que a

sobreposição dos pulsos seja muito pequena, deixando espaços submetidos à uma menor

taxa de irradiação ao longo da usinagem. A influência destes parâmetros foi investigada

no presente estudo.

21

3.4 Representação gráfica

A fim de estimar o valor da profundidade média, um trecho de cerca de 1mm do

canal foi medido no microscópio, e, dentro dessa região, foi medida a profundidade

máxima (𝐻𝑀𝐴𝑋) e a rugosidade total (𝑅𝑇). A profundidade média neste trabalho foi

calculada pela equação:

𝐻 = (𝐻𝑀𝐴𝑋 −𝑅𝑇

2) ±

𝑅𝑇

2 3.2

Assim, nos gráficos de profundidade, a metade da rugosidade total será usada

como incerteza.

Para a comparação das larguras de diferentes canais, será usada a largura da borda

superior (como indicada pela Figura 3.10) pela maior facilidade de medição. Através de

repetitividade das medições, a variação da largura da borda superior observada nos canais

simples, isso é, quando não há avanço horizontal, foi de ±2µm. Enquanto para canais de

maiores larguras, foi observado uma variação de entre 5 e 10% da largura.

3.5 Frequência do Laser

A potência utilizada do laser varia com a frequência escolhida. O valor da potência

pode ser medido por um sensor que acompanha a base da máquina (ilustrado na Figura

3.6).

No Capítulo 2, foi mostrado através da Equação 2.5 como a fluência do pulso do

laser se relaciona com a frequência. A partir dos dados de potência e fluência medidos, é

possível traçar o seguinte gráfico apresentado na Figura 3.13. Nesta figura pode-se

observar a variação do valor da potência, medido pelo sensor, e da fluência, calculada

através da Equação 2.5, pela Frequência utilizada. A potência foi medida três vezes para

cada valor de frequência espaçados de 1000Hz, o desvio padrão das medições foi

considerado como incerteza de medida. Essa incerteza foi propagada no cálculo da

fluência.

22

Figura 3.13: Gráfico da Potência [W] e Fluência [J/cm²] pela Frequência [Hz].

O critério de seleção da frequência utilizada foi recomendado pelo fabricante,

através do manual do equipamento, e este parâmetro de decisão é o produto da fluência

pela potência, pois, assim, considera um equilíbrio de alta Potência e Fluência. Esses

produtos resultam na Figura 3.14 a seguir.

Figura 3.14: Gráfico do produto entre Potência e Fluência pela Frequência.

O máximo do gráfico ocorre na região entre 5000 e 8000Hz. Assim, a frequência

utilizada nos testes será de 5000Hz, pois esse também é o valor recomendado pelo

fabricante e usado por Mai, et al. (2002).

23

3.6 Velocidade de Corte

Para frequência constante, a área que sofrerá sobreposição dos raios do laser varia

com a velocidade de corte, influenciando diretamente na quantidade de material

removido. Porém, é preciso encontrar uma ordem de grandeza de velocidades que possam

ser utilizadas. Caso a velocidade seja muito baixa, a área sobreposta se torna muito

elevada, fazendo com que a exposição ao laser das paredes do canal seja muito elevada,

provocando o derretimento. Para velocidades muito altas, a área sobreposta é muito

pequena, fazendo com que a peça não sofra a exposição necessária para que a ablação

ocorra. Para entender melhor o funcionamento da sobreposição dos pulsos, ela está

representada na Figura 3.15 abaixo.

Figura 3.15: Representação da sobreposição dos pulsos do Laser ao longo da usinagem.

Sendo 𝐷 o diâmetro do pulso, 𝑑 o maior comprimento da área sobreposta, 𝑂𝑥 a

porcentagem da área do pulso que é sobreposta no sentido do movimento da ablação e 𝑂𝑦

a porcentagem da área do pulso que é sobreposta no sentido perpendicular do movimento

de ablação, área que será importante na usinagem de canais com múltiplos passes

horizontais e será melhor detalhado na Seção 3.10.

Dessa representação, pode-se chegar nas seguintes equações (Mai, et al., 2002):

𝑂𝑥 = (1 −𝑣

𝐷.𝑓) . 100% 3.3

𝑂𝑦 = (𝑑

𝐷) . 100% 3.4

24

Sendo 𝑣 a Velocidade de Corte e 𝑓 a frequência do laser utilizada.

Mai, et al. (2002) recomenda utilizar valores entre 70 e 90% de sobreposição no

sentido da usinagem.

O outro fator limitante que deve ser considerado é a aceleração da base dos eixos

XY. Durante os momentos de aceleração e desaceleração, a ablação ocorre com variada

velocidade, o que provoca uma variação na profundidade do canal. O comprimento dessa

região afetada é facilmente definido, visto que, de acordo com as informações do

fabricante apresentadas na Tabela 3.1, a aceleração da base é constante e de 1000mm/s².

Pode-se, então, gerar o gráfico teórico apresentado na Figura 3.16 abaixo, que relaciona

a distância necessária para alcançar a velocidade de corte desejada.

Figura 3.16: Gráfico teórico da Distância necessária para alcançar a velocidade [µm] pela Velocidade de Corte

[mm/s].

Ademais, o quanto a região é afetada foi medido para as velocidades 10, 15, 20 e

25mm/s. Quatro microcanais foram usinados em cobre com as diferentes velocidades de

corte e 5000Hz de frequência, DFF de -0,15mm, 100% de potência, 4 passes alternados

(a definição de passes alternados está mais detalhada na Seção 3.9.3) e 5 avanços de

15µm. A imagem em 3D com uma escala de cor para a profundidade dos microcanais

está na Figura 3.17 e os perfis longitudinais das extremidades dos canais estão

representados na Figura 3.18.

25

Figura 3.17: Imagem das extremidades dos canais para as velocidades: 10, 15, 20 e 25mm/s.

Figura 3.18: Perfis das seções longitudinais das extremidades dos canais para as velocidades: 10, 15, 20 e

25mm/s.

Com o intuito de simplificar a representação, a razão entre profundidade máxima

na região afetada pela aceleração (𝐻𝑎) e a profundidade média no restante do canal (𝐻) é

chamada de Grau de Alteração da Profundidade devido à Aceleração (𝐺𝑎) e pode ser

ilustrado pela equação abaixo:

𝐺𝑎 =𝐻𝑎

𝐻 3.5

26

Este grau sofre um notável crescimento com o aumento da velocidade utilizada na

usinagem. Nas velocidades testadas, foram encontrados os seguintes graus:

10mm/s: 1,22;

15mm/s: 1,84;

20mm/s: 2,81;

25mm/s: 3,62.

O conjunto desses resultados em relação à geometria das extremidades dos canais

limitará a velocidade máxima para 15mm/s, visto que o valor de 𝐺𝑎 passa de 2 com

velocidades superiores, chegando a 3,62 em 25mm/s.

3.7 Distância focal

Conforme apresentado no Capítulo 2, o laser irradia uma diferente concentração

de energia e possui diferente diâmetro ao longo da direção da emissão do laser. Sendo

que no ponto focal ele possui a maior concentração de energia e menor diâmetro.

Dá-se o nome de distância fora-de-foco (DFF) para a distância que o laser foi

deslocado do foco. Essa distância pode ser negativa, caso a lente do laser se aproxime da

peça, ou positiva no caso de afastamento. A Figura 3.19 apresenta uma simplificação da

parte interna da máquina para melhor entendimento da DFF.

Figura 3.19: Representação simplificada da parte interna da máquina.

27

Como mostrado no Capítulo 2, a distância de Rayleigh do laser é de 0,15mm,

assim, através da Equação 2.1, fica possível montar um gráfico representando a variação

do raio do laser com a distância fora-de-foco. Este gráfico está apresentado na Figura 3.20

abaixo, tendo a distância de Rayleigh indicada pelas linhas tracejadas.

Figura 3.20: Gráfico da relação entre Raio [µm] do laser e Distância Fora-de-foco [mm].

Com os valores do raio para cada distância fora-de-foco, fica possível gerar o

gráfico teórico que relaciona a variação de fluência com a distância fora-de-foco para

5000Hz. Este gráfico está apresentado na Figura 3.21.

Figura 3.21: Gráfico da relação entre Fluência [J/cm²] do laser e Distância Fora-de-foco [mm].

28

Com esses resultados, é de se esperar que, ao menos dentro da região limitada pela

distância de Rayleigh, a largura do canal tenha um comportamento semelhante à curva da

Figura 3.20 e a profundidade semelhante à curva da Figura 3.21.

3.8 Potência do Laser

Como discutido no Capítulo 2, a Fluência é diretamente proporcional à potência

utilizada, seguindo a Equação 2.5. Para a frequência de 5000Hz, a potência máxima é de

1,14W, mas ela pode ser controlada através da porcentagem de potência utilizada,

resultando no gráfico apresentado na Figura 3.22 abaixo.

Figura 3.22: Gráfico da relação entre Fluência [J/cm²] e Potência [%]

Essa relação linear implica que a relação entre profundidade do canal e potência

também deve ser linear.

3.9 Número de passes

Os parâmetros discutidos até agora possibilitam a ablação de canais com valores

de profundidade e largura limitados pela geometria do laser. Na operação de faceamento

com fresa, são dados vários passes com compensação de profundidade já usinada para

alcançar profundidades superiores ao limite da ferramenta e efetuado avanços no plano

da peça para aumentar a área usinada. Analogamente, os mesmos tipos de deslocamentos

podem ser feitos com o laser. Entretanto, devido ao formato gaussiano do laser, das

paredes dos canais, que podem criar efeitos de reflexão ou de maior absorção dos raios

do laser, e da mudança química que a região usinada sofre devido ao grande aumento da

29

temperatura, o comportamento da usinagem para passes múltiplos não será idêntico ao

que ocorre no primeiro passe.

3.9.1 Avanço

O deslocamento no avanço é na direção perpendicular à direção de corte, assim, a

sobreposição que deve ser considerada é a 𝑂𝑦, que pode ser calculada pela Equação 3.3.

Diferentemente do fresamento, na ablação a laser, uma região que sofre sobreposição

acaba sendo usinada duas vezes, mesmo que não ocorra um deslocamento no Eixo Z para

compensar a profundidade já usinada. No entanto, como o laser possui uma concentração

de energia maior no centro do raio (Alda, 2003), pode-se sobrepor uma parte do canal que

recebe menos da metade da energia do centro. A estimativa do tamanho dessa região foi

feita baseada na geometria do canal e está representada na Figura 3.23 abaixo, sendo 𝑎 o

avanço.

Figura 3.23: Representação do avanço para a estimativa do tamanho da região sobreposta.

Da Figura 3.15, tem-se que:

𝑎 = 𝐷 − 𝑑 3.6

Combinando a Equação 3.4 com a Equação 3.6, pode-se colocar a sobreposição

em função do avanço.

30

𝑂𝑦 = (𝐷−𝑎

𝐷) . 100% 3.7

Conhecendo os valores das dimensões que compõem a geometria do microcanal

(Figura 3.10), o valor do avanço pode ser estimado por:

𝑎 = 𝑊𝑆 −𝐻

𝑡𝑔𝜃 3.8

3.9.2 Passe

Quando a ablação ocorre novamente num canal já usinado, a parede do canal

absorve calor junto com a superfície inferior. Com o aumento do número de passes, a área

da parede vai se tornando maior, aumentando a energia absorvida, até que chega ao ponto

que a energia é tanta que partes da zona afetada pelo calor mais afastadas sofrem

derretimento, obstruindo o canal.

3.9.3 Combinação de deslocamentos

Para a realização da usinagem de superfícies com variadas profundidades e

larguras, é preciso combinar avanços e passes. Durante os testes, foi notado que o perfil

das regiões usinadas com múltiplos passes e avanços muda com os sentidos de corte. Se,

depois de cada passe, o sentido de corte continuar o mesmo, isso é, passes contínuos,

acontece um aumento da profundidade na extremidade final do canal. A fim de ilustrar

os dois tipos de passes, foram feitas as Figuras 3.24 e 3.25 onde os sentidos da

movimentação do laser em dois passes consecutivos são indicados para quando esses

passes são contínuos e quando são alternados, respectivamente.

Figura 3.24: Representação de passes contínuos.

31

Figura 3.25: Representação de passes alternados.

Para ilustrar a diferença causada na geometria do canal entre os tipos de passes,

foram feitos dois testes no cobre com frequência de 5000Hz, velocidade de corte de

15mm/s, distância fora-de-foco de -0,15mm, 100% de potência, 10 avanços de 15µm,

sendo o primeiro fazendo dois passes contínuos e o segundo dois passes alternados. Na

Figura 3.26, é mostrada a imagem em 3D do canal usinado com passes contínuos com

uma escala de cores de profundidade em micrômetros. O perfil desse canal está

apresentado na Figura 3.27.

Figura 3.26: Medições 3D do canal usinado com passes contínuos.

32

Figura 3.27: Perfil do canal usinado com passes contínuos. Medidas em micrômetros.

A mesma representação foi feita para o canal usinado por passes alternados e ela

pode ser vista nas Figuras 3.28 e 3.29, que contêm a imagem em 3D do canal e o perfil,

respectivamente.

Figura 3.28: Representação 3D do canal usinado com passes alternados.

33

Figura 3.29: Perfil do canal usinado com passes alternados. Medidas em micrômetros.

Usando passes alternados, os canais apresentaram uma variação de profundidade

consideravelmente menor ao longo da largura do canal. Com o intuito de manter essa

maior regularidade, o número de passes utilizados deve ser sempre par. Cada dupla de

passes alternados será chamada de passe-duplo (PD) para simplificar as representações.

Dependendo da aplicação do canal, a largura projetada pode ser ou a largura da

borda superior, a largura da base ou o valor médio. Contudo, a relação entre elas pode ser

tirada da geometria do perfil.

Na Figura 3.30, tem-se a representação do perfil de um canal, usinado com

múltiplos passes e avanços, e de cada passe.

Figura 3.30: Representação do perfil de um canal feito com múltiplos passes e avanços.

34

Pela geometria, as equações teóricas para 𝑊𝑆 e 𝑊𝐵 são deduzidas:

𝑊𝑆 = 𝑎(𝑁𝐴 − 1) + 𝑤𝑆 3.9

𝑊𝐵 = 𝑊𝑆 −2𝐻

𝑡𝑎𝑛𝜃 3.10

Onde 𝑤𝑆 é a largura da borda superior para o canal simples feito com os

parâmetros utilizados, 𝑎 o valor do avanço, 𝑁𝐴 o número de avanços, 𝐻 a altura final do

canal e 𝜃 o ângulo de inclinação.

Entretanto, como o laser acaba passando a cada passe na superfície inicial da placa

com diâmetro maior devido ao avanço no sentido do eixo Z, uma pequena área da

superfície em torno do canal sofre ablação, aumentando a largura da borda superior. A

largura da borda superior real poderá ser estimada pelas tabelas no Capítulo 4.

35

4 TESTES EM METAIS

Metais em geral são materiais isotrópicos, isso é, possuem as mesmas

propriedades mecânicas e térmicas em todas as direções. Isso significa que o

comportamento da ablação com a variação de seus parâmetros é semelhante, apesar de

que a quantidade de material removido, isso é, a geometria dos canais, devem ser

diferentes devido às propriedades térmicas de cada metal. A semelhança do

comportamento da ablação possibilitou que o estudo do mesmo fosse feito apenas em um

metal, no caso, o cobre.

Os parâmetros foram, então, adaptados para os outros metais testados devido às

suas diferentes propriedades térmicas. Os outros metais testados foram o latão, aço

inoxidável e alumínio.

Na Tabela 4.1 abaixo, encontra-se as propriedades dos quatro metais utilizados

como corpos de prova neste trabalho.

Tabela 4.1: Propriedades térmicas dos metais testados (MatWeb, 2016).

Metal Cobre Latão Aço Inox. Alumínio

Massa específica [g/cm³] 8,93 8,75 9,01 2,70

Condutividade Térmica [W/m.K] 385 124 16,8 180

Calor Específico [J/g°C] 0,385 0,380 0,478 0,896

Ponto de Fusão [ºC] 1083,2 917 1440 582

Ponto de Ebulição [ºC] 2562 2560 2750 2327

4.1 Ablação do Cobre

Cobre é um dos metais mais comumente utilizados em microdispositivos com

aplicações térmicas, como microdissipadores e microtrocadores de calor, devido a sua

alta condutividade térmica (Lee, et al., 2010).

O substrato utilizado nos testes foi uma peça plana, previamente faceada para

garantir o paralelismo entre as faces, com as dimensões 34x14x2.75mm, como ilustrada

na Figura 4.1 abaixo.

36

Figura 4.1: Peça de Cobre utilizada nos testes. Possui as dimensões 34x14x2.75mm.

4.1.1 Velocidade de corte

Segundo a recomendação de Mai, et.al (2002) para utilização de valores entre 70

e 90% de sobreposição dos pulsos, como comentado na Seção 3.6, utilizou-se neste estudo

com o cobre uma faixa de valores aumentada, entre 50 e 95% de sobreposição. Logo, para

esta faixa de valores, resultou-se em velocidades variando entre 25 e 2,5mm/s. Todavia,

canais usinados com velocidades inferiores a 7,5mm/s, correspondente a 67,5% de

sobreposição, apresentaram irregularidades superiores a 70% e foram descartados.

Testes foram feitos na distância focal do laser com 5000Hz de frequência, 100%

de potência e um passe, com velocidades espaçadas em 0,5mm/s, resultando no gráfico

da relação entre Velocidade de Corte e Profundidade do canal apresentado na Figura 4.2.

Figura 4.2: Gráfico da relação entre a Velocidade de Corte [mm/s] com a Profundidade do canal

[µm].

37

Os resultados apresentados impõem um limite inferior de velocidade de 7,5mm/s.

Eles também trazem uma informação interessante de como a profundidade do canal varia

de maneira exponencial de acordo com a velocidade usada, semelhante ao

comportamento encontrado na ablação por laser de CO2 de PMMA por Pare, et al. (2014).

Como visto na Seção 3.6, a aceleração dos eixos limita a velocidade de corte em

15mm/s.

Para finalizar o entendimento do comportamento da ablação com a variação da

velocidade de corte, é preciso fazer a comparação da qualidade dos canais para os

diferentes valores de velocidade, através da irregularidade. A análise das irregularidades

(parâmetro definido na Seção 3.3) dos canais feitos na distância focal do laser com

5000Hz de frequência, 100% de potência e um passe, com velocidades espaçadas em

0,5mm/s são apresentados na Figura 4.3 abaixo.

Figura 4.3: Gráfico da relação da Irregularidade do canal pela Velocidade de Corte [mm/s].

Nesse campo de velocidade, 15mm/s é a velocidade que atinge a menor

irregularidade do canal, fazendo dela a velocidade ótima para a ablação do cobre.

4.1.2 Distância fora-de-foco

Os testes inicias de variação de DFF foram feitos com 5000Hz de frequência,

velocidade de corte 15mm/s, 100% de potência e um passe, com variadas DFFs espaçadas

de 0,05mm. Como comentado na Seção 3.7, o comportamento da variação de

profundidade, que pode ser visto na Figura 4.4 abaixo, se assemelha ao gráfico de

variação de Fluência com a DFF (Figura 3.21).

38

Figura 4.4: Gráfico da relação entre as Profundidades [µm] dos canais e Distância Fora-de-foco [mm].

Apesar do aumento do raio do laser, a queda da fluência faz com que o laser não

consiga usinar canais com larguras muito elevadas com apenas um passe, deixando os

resultados experimentais afastados do previsto pela Figura 3.20. Isso pode ser observado,

principalmente, com distâncias fora-de-foco muito superiores à distância de Rayleigh.

Foram medidas as larguras de borda superior dos canais usinados com os parâmetros já

citados anteriormente nesta seção e seus resultados estão apresentados na Figura 4.5.

Figura 4.5: Gráfico da relação entre as Larguras da borda superior [µm] dos canais e

Distância Fora-de-foco [mm].

Na região do gráfico dentro da distância de Rayleigh, o comportamento da largura

funciona como esperado, isto é, ocorrendo o aumento da largura com o aumento do

diâmetro do laser, havendo um estreitamento dos canais nas regiões mais próximas da

39

distância focal. Nas regiões mais afastadas, o comportamento é mais difícil de ser previsto

devido a pequenos valores de fluência. Deste modo, será imposta a limitação de ±0,3mm

para a distância fora-de-foco utilizada.

Na região limitada, é necessário avaliar a qualidade dos canais. Foram medidas as

irregularidades dos canais usinados com os parâmetros já citados anteriormente nesta

seção e seus resultados estão apresentados na Figura 4.6.

Figura 4.6: Histograma da relação entre a Irregularidade dos canais e Distância Fora-de-foco [mm].

Com a exceção dos valores de DFF de 0, 0,05 e 0,1mm, a irregularidade se

mantém próxima de constante. Isso pode se dar devido aos pequenos valores de

rugosidade, porque, como a rugosidade varia entre 2 e 5µm apenas para esses valores de

DFF, é difícil garantir que perda de precisão durante a geração da imagem em 3D do

microscópio não esteja influenciando nessa diferença. Para diminuir a influência dos erros

de medição, os testes foram repetidos, mantendo os parâmetros, para usinagens com dois

passes alternados e os resultados estão apresentados na Figura 4.7 abaixo.

40

Figura 4.7: Histograma da relação entre a Irregularidade dos canais e Distância Fora-de-foco [mm] para

canais feitos com 2 passes.

Na ablação de canais usando dois passes, a irregularidade apresentou uma maior

variação. Os canais de maior qualidade foram de -0,3, -0,2, -0,15 e -0,1mm de DFF.

Porém, canais usinados a partir de -0,25mm apresentaram uma geometria de degrau, que

pode ser visualizada na Figura 4.8. Essa figura apresenta a imagem em 3D com escala de

cor para valores de profundidade do canal usando DFF de -0,3mm, eliminando o uso

dessas configurações.

Figura 4.8: Canal apresentando geometria de degrau.

Os canais usinados com as três distâncias fora-de-foco utilizáveis apresentam

geometrias levemente diferentes. A Tabela 4.2 abaixo mostra os valores que caracterizam

a geometria, discutidos na Seção 3.2:

41

Tabela 4.2: Caracterização da geometria dos canais simples.

DFF [mm] H [µm] WS [µm] WB [µm] θ [°]

-0,1 12,0 ± 1,8 20,0 ± 2,0 6,3 ± 2,0 60,1 ± 4,6

-0,15 12,2 ± 1,2 21,3 ± 2,0 6,8 ± 2,0 59,1 ± 6,6

-0,2 9,9 ± 1,5 24,1 ± 2,0 10,1 ± 2,0 54,7 ± 6,7

A diferença mais notável está nos valores das larguras. Utilizando distância fora-

de-foco de -0,1 mm, é possível usinar canais simples mais finos. Quando o objetivo é

usinar canais com larguras maiores, é vantajoso usar distância de -0,2mm pois diminui o

número de passes necessário, reduzindo o tempo de usinagem. A usinagem de canais de

maiores larguras no cobre será melhor abordada na Seção 4.1.4.

4.1.3 Potência do Laser

Como visto na Seção 3.8, a potência do laser tem uma relação linear com a

fluência, logo, se espera a mesma relação com a quantidade de material removido. Testes

com 5000Hz de frequência, 15mm/s de velocidade, DFFs de -0,1, -0,15 e -0,2mm e 1

passe foram feitos com a potência variando entre 20 e 100% com um intervalo de 5%.

Dos resultados, o gráfico apresentado na Figura 4.9 foi gerado.

Figura 4.9: Gráfico da relação entre Profundidade [µm] e Potência [%]

42

Os resultados foram ajustados para as seguintes retas:

Tabela 4.3: Modelo linear da relação entre Profundidade [µm] e Potência [%]

Distância Fora-de-foco [mm] Modelo linear da Profundidade

-0,1 𝑓(𝑥) = 0.1299𝑥 + 1.105

-0,15 𝑓(𝑥) = 0.1367𝑥 − 0.4573

-0,2 𝑓(𝑥) = 0.1415𝑥 − 1.454

Devido ao simples modelo, reduzir a porcentagem utilizada da potência do laser

é uma maneira fácil de controlar a profundidade dos canais. No entanto, a variação da

largura da borda superior também deve ser considerada. Repetindo os parâmetros de

ablação, as larguras foram medidas para gerar o gráfico apresentado na Figura 4.10.

Figura 4.10: Gráfico da relação entre Largura da borda superior [µm] e Potência [%]

A largura dos canais não sofre uma variação linear como a profundidade, mas sim

potencial. Assim, para valores entre 50 e 100% da potência, a variação não é tão grande

como para valores menores.

43

Tabela 4.4: Modelo potencial da relação entre Largura da borda superior [µm] e Potência [%]

Distância Fora-de-foco [mm] Modelo potencial da Largura da borda

superior

-0,1 𝑓(𝑥) = −102.3𝑥−0.6613 + 27.39

-0,15 𝑓(𝑥) = −2702𝑥−1.798 + 23.03

-0,2 𝑓(𝑥) = −349.4𝑥−0.9196 + 29.91

Em relação à qualidade, como os canais usinados com 100% da potência já

possuem a rugosidade total muito próximas entre 2 e 3µm, ela não varia muito com a

redução da potência, aumentando a irregularidade devido à grande queda de

profundidade. Portanto, para esse caso, a irregularidade não será considerada.

4.1.4 Avanço

Como mostrado na Seção 3.9.1, deve-se calcular o valor do avanço pela geometria

do canal (Equação 3.8). Usando as informações da geometria dos microcanais usinados

em cobre (Tabela 4.2), a região sobreposta medida fica entre 25 e 35% da largura da borda

superior do canal. Isso significa que o avanço fica entre 65 e 75% dessa mesma espessura.

Para as distâncias fora-de-foco testadas - -0,1, -0,15 e -0,2mm, - a largura do topo do

canal está entre 20 e 25µm (Tabela 4.2), então a região de avanço é de 13 a 19µm. O

aumento do avanço resulta em um menor tempo de usinagem, pois reduz o número de

avanços necessários para usinar a desejada largura. A rugosidade dos canais sofreu um

aumento considerável para avanços acima de 15µm, assim, esse valor fica de limite.

4.1.5 Passes

Nos canais simples usinados com as três distâncias fora-de-foco utilizadas, foi

observado que o efeito de obstrução do canal (explicado na Seção 3.9.2) começou a

ocorrer a partir do quinto passe. Nesses testes, foi usado 5000Hz de frequência, 15mm/s

de velocidade de corte e 100% de potência. O valor do avanço vertical utilizado foi de

10µm, para compensar a profundidade de 1 passe.

Nas tabelas a seguir, é interessante comparar o limite de profundidade que se

consegue alcançar para cada DFF utilizada na ablação de microcanais simples. Outra

observação interessante é que com o aumento do número de passes, o ângulo de

inclinação aumenta, chegando mais perto de um canal com paredes perpendiculares.

44

Tabela 4.5: Caracterização da geometria de canais usinados com múltiplos passes para DFF de -0,1mm.

DFF [mm] Passes H [µm] WS [µm] WB [µm] θ [°]

-0,1 2 24,0 ± 1,8 22,1 ± 2,0 11,0 ± 2,0 77,1 ± 2,2

-0,1 3 35,2 ± 1,0 23,8 ± 2,0 13,1 ± 2,0 81,4 ± 1,6

-0,1 4 38,4 ± 11,8 20,2 ± 2,0 9,7 ± 2,0 82,2 ± 1,5



-0,15 2 20,9 ± 1,4 21,7 ± 2,0 13,4 ± 2,0 73,5 ± 3,9

-0,15 3 31,0 ± 2,1 20,6 ± 2,0 12,7 ± 2,0 82,7 ± 0,9

-0,15 4 44,0 ± 2,4 21,7 ± 2,0 9,8 ± 2,0 82,3 ± 1,7



-0,2 2 19,0 ± 1,7 26,4 ± 2,0 13,6 ± 2,0 71,4 ± 5,4

-0,2 3 26,6 ± 1,8 21,8 ± 2,0 13,0 ± 2,0 80,6 ± 1,5

-0,2 4 40,2 ± 1,8 25,2 ± 2,0 13,1 ± 2,0 81,4 ± 1,7

Com o aumento da largura dos canais usando avanços horizontais e mantendo os

parâmetros de ablação (5000Hz de frequência, 15mm/s de velocidade de corte e 100% de

potência), o limite de profundidade alcançada por passes verticais aumenta, visto que com

o distanciamento das paredes, a energia absorvida por elas diminui. Assim, foi feito a

tabela comparando o número de passes-duplos máximo para diferentes quantidades de

avanços. É interessante notar que, como a largura da base superior vai aumentando com

o distanciamento do foco, a distância entre as paredes para um mesmo número de avanços

aumenta, assim, o número de PDs máximo que se consegue alcançar para -0,2mm de DFF

é maior que para as outras duas DFFs testadas. Porém, como a Fluência diminui com o

distanciamento do foco, o número de passes necessário para alcançar uma mesma

profundidade também é maior.

45

Tabela 4.8: Limite de número de passes-duplos para canais com até 100 µm de espessura de entrada para DFF

de -0,1mm.

DFF [mm] NA NPD máx. H [µm] WS [µm] WB [µm] θ [°]

-0,1 3 3 49,2 ± 5,6 43,4 ± 2,1 13,6 ± 2,0 73,2 ± 4,2

-0,1 4 4 58,2 ± 8,5 58,4 ± 2,6 27,7 ± 2,0 75,2 ± 2,8

-0,1 5 7 81,0 ± 5,8 69,2 ± 3,5 18,6 ± 2,0 72,6 ± 5,0

-0,1 6 9 92,9 ± 6,0 86,4 ± 4,3 19,8 ± 2,0 70,3 ± 1,5


de -0,15mm.


-0,15 3 4 59,4 ± 6,2 43,2 ± 2,2 14,2 ± 2,0 76,3 ± 3,3

-0,15 4 5 69,2 ± 9,2 59,9 ± 3,0 19,2 ± 2,0 73,6 ± 6,0

-0,15 5 7 78,8 ± 14,4 80,4 ± 4,0 29,5 ± 2,0 72,1 ± 4,4

-0,15 6 10 93,9 ± 5,9 100,8 ± 5,0 30,6 ± 2,0 69,5 ± 4,0


de -0,2mm.


-0,2 3 5 36,2 ± 6,6 68.8 ± 3,6 27,6 ± 2,0 60,3 ± 6,4

-0,2 4 6 46,8 ± 7,4 81,8 ± 4,1 34,7 ± 2,0 63,3 ± 8,1

-0,2 5 7 71,0 ± 7,2 82,9 ± 4,1 20,3 ± 2,0 66,2 ± 10,3

-0,2 6 11 91,8 ± 4,4 103,4 ± 5,2 40,5 ± 2,0 71,1 ± 5,9

Esses resultados impõem o limite de profundidade de 100µm de canais com até

aproximadamente 100µm de largura da borda superior. A tabela também apresenta um

ângulo de inclinação do canal e razão entre profundidade e largura maiores para distância

fora-de-foco de -0,1mm, tornando essa distância mais interessante de se trabalhar.

O limite de número de passes-duplos para canais com larguras da base superior

maiores que 100µm cresceu consideravelmente, atingindo um limite onde não há mais o

aumento da profundidade antes de começar a obstrução do canal devido ao excesso de

energia. No entanto, dependendo do número de avanços, a variação da profundidade com

o número de passes é bem diferente, dificultando, assim, a sua estimativa.

46

Tabela 4.11: Variação da profundidade para canais com espessura de entrada de até 150µm.

DFF [mm] NA NPD H [µm] WS [µm] WB [µm] θ [°]

-0,1 7 15 128,6 ± 17,3 119,7 ± 6,0 48,4 ± 2,4 74,5 ± 4,4

-0,1 7 20 140,8 ± 10,9 120,8 ± 6,0 48,5 ± 2,4 75,6 ± 2,0

-0,1 7 25 160,8 ± 8,0 146,2 ± 7,3 57,6 ± 2,8 74,6 ± 3,7

-0,1 7 30 174,5 ± 4,4 144,1 ± 7,2 57,7 ± 2,8 76,1 ± 3,1

-0,1 7 35 183,1 ± 4,8 147,3 ± 7,3 55,3 ± 2,7 75,9 ± 2,0

-0,1 7 40 191,4 ± 5,0 145,7 ± 7,2 55,0 ± 2,7 76,7 ± 1,8

-0,1 7 45 196,4 ± 4,2 134,3 ± 6,5 44,8 ± 2,2 77,2 ± 1,3

-0,1 7 50 197,2 ± 5,2 146,8 ± 7,3 41,7 ± 2,2 75,1 ± 1,9

Pelas tabelas 4.11 e 4.12 é notável como o crescimento do valor da profundidade

diminui para largura com o aumento do número de passes. O ângulo de inclinação do

canal não sofre uma variação muito expressiva.

Tabela 4.12: Variação da profundidade para canais com espessura de entrada de até 400µm.

DFF [mm] NA NPD H [µm] WE [µm] WS [µm] θ [°]

-0,1 15 15 140,0 ± 5,2 202,0 ± 5,0 29,1 ± 2,9 58,3 ± 4,9

-0,1 15 25 223,6 ± 6,3 263,7 ± 6,6 35,8 ± 3,6 63,0 ± 4,7

-0,1 15 50 284,6 ± 11,0 287,0 ± 7,2 61,6 ± 3,1 68,4 ± 2,2

-0,1 15 75 338,8 ± 16,0 306,5 ± 7,6 35,4 ± 3,5 68,2 ± 3,3

-0,1 15 100 334,0 ± 15,6 299,5 ± 7,5 35,0 ± 3,5 68,4 ± 2,5

-0,1 20 15 162,0 ± 5,3 328,2 ± 8,2 96,2 ± 9.6 54,4 ± 4,0

-0,1 20 25 238,0 ± 10,4 334,1 ± 8,4 29,7 ± 2,9 57,4 ± 6,0

-0,1 20 50 332,2 ± 12,0 365,0 ± 9,1 43,8 ± 4,4 64,2 ± 4,9

-0,1 20 75 391,8 ± 14,0 371,0 ± 9,3 35,2 ± 3,5 66,8 ± 3,5

-0,1 20 100 394,0 ± 14,2 369,9 ± 9,3 38,6 ± 2,0 67,2 ± 3,5

Para canais com larguras a partir de 400µm, a ablação com o laser estudado perde

a sua vantagem pois passa a levar um tempo muito grande de usinagem, devido ao alto

número de avanços e passes, em comparação ao microfresamento que, nessas dimensões,

já passa a usar ferramentas mais baratas e com vida útil maior.

Por exemplo, a usinagem do dispositivo da Figura 4.11, que possui canais com

400µm de profundidade e 400µm de largura, levou cerca de 1 hora e 30 minutos de

47

usinagem na Micro CNC, usando uma fresa de 400µm de diâmetro. Usando o laser

estudado, essa usinagem levaria cerca de 22 horas, porque apesar da velocidade usada ser

na faixa de 15 vezes maior que a velocidade usada na Microfresadora CNC, o número de

passes e avanços necessários para alcançar essa geometria é muito maior. De qualquer

forma, canais com espessuras acima de 400µm foram usinados e os resultados estão

apresentados no Apêndice A.

Figura 4.11: Microdispositivo fabricado na Microfresadora CNC (Junior, et al., 2015).

4.2 Latão

Com o comportamento da ablação caracterizada para o cobre e considerando as

propriedades semelhantes entre os metais, apresentados na Tabela 4.1, seria redundante

refazer todos os testes já feitos com o cobre. Na Seção 4.1.1, foi visto que a velocidade

de corte é limitada pela própria máquina, devido à sua aceleração. A potência do laser

apresentou um comportamento linear em relação à variação da profundidade dos canais

(Seção 4.1.3), o que a torna o melhor parâmetro para controlar a profundidade de

microcanais simples.

O parâmetro que será usado para a adaptação para os metais diferentes de cobre

será, então, a distância fora-de-foco, pois é um parâmetro que controla a fluência, que

independe de limites impostos pela máquina e que, devido à relação não-linear (Figura

3.21) com a fluência, não é o parâmetro ideal para ser variável, como a potência.

48

A peça de latão testada possui as dimensões 40x20x2,1mm e está mostrada na

Figura 4.12 abaixo.

Figura 4.12: Peça de Latão utilizada nos testes. Possui as dimensões 40x20x2,1mm.

Os resultados do comportamento da geometria dos canais com a variação de

distância fora-de-foco para o latão se assemelham muito ao cobre, o que é esperado

devido às suas propriedades térmicas serem semelhantes (Tabela 4.1).

Testes foram feitos com 5000Hz de frequência, 15mm/s de velocidade de corte,

100% de potência e 1 passe. Os resultados de profundidade no canal com a variação de

DFF estão na Figura 4.13 e os de largura da borda superior na Figura 4.14, onde eles

também são comparados aos resultados do Cobre (Figura 4.4).

Figura 4.13: Gráfico da relação entre as Profundidades [µm] dos canais e Distância Fora-de-foco [mm] para o

Latão.

49

Figura 4.14: Gráfico da relação entre as Largura da borda superior [µm] dos canais e Distância Fora-de-foco

[mm] para o Latão.

A região mais regular de variação da largura da borda superior com o diâmetro do

laser está entre -0,2 e 0,4mm.

Para avaliar a qualidade dos canais, foram também usinados canais com dois

passes (mantendo os parâmetros de ablação) e medido suas irregularidades, como feito

na Seção 4.1.2 (resultados apresentados na Figura 4.7). Comparando as irregularidades

apresentadas na Figura 4.15 abaixo, pode-se observar que, para o intervalo entre -0,2 e -

0,05mm, região de valores muito semelhantes encontrados para o Cobre através da Figura

4.7, tem-se uma a melhor qualidade dos canais fabricados.

Figura 4.15: Histograma da relação entre a Irregularidade dos canais e Distância Fora-de-foco

[mm] para canais feitos com 2 passes para o Latão.

50

4.3 Aço Inoxidável

As propriedades térmicas do Aço Inoxidável já são mais afastadas do Cobre

(Tabela 4.1), isso implicou num comportamento um pouco diferente em relação à largura

da borda superior dos canais, que apresentou um comportamento mais irregular ao longo

dos valores testados, porém quase que constantes nos valores mais perto do foco (Figura

4.18).

Os testes foram feitos em uma peça de dimensões 40x20x3mm (Figura 4.16) com

5000Hz de frequência, 15mm/s de velocidade de corte, 100% de potência e 1 passe. As

Figuras 4.17 e 4.18 apresentam os resultados de profundidade e largura da base superior,

respectivamente, comparados aos resultados do Cobre.

Figura 4.16: Peça de Aço Inoxidável utilizada nos testes. Possui as dimensões 45x20x3mm.


Aço Inoxidável.

51

Figura 4.18: Gráfico da relação entre as largura da borda superior [µm] dos canais e Distância Fora-de-foco

[mm] para o Aço Inoxidável.

O gráfico da Figura 4.18 apresenta duas faixas de valores para DFF interessantes,

onde a variação da largura da borda superior entre eles é muito baixa. Essas faixas são

entre -0,45 e 0,05mm, onde a média das larguras é de 25,1 ± 2,2µm, e entre 0,1 e 0,55mm,

com uma média de larguras de 20,4 ± 1,2µm.

Como feito para o Cobre e o Latão, para avaliar a irregularidade do canal, os testes

foram repetidos com os mesmos parâmetros de ablação, porém usando dois passes

alternados. Com os resultados, o histograma da Figura 4.19 foi traçado.

Figura 4.19: Histograma da relação entre a Irregularidade dos canais e Distância Fora-de-foco [mm]

para canais feitos com 2 passes para o Aço Inoxidável.

O teste de dois passes para comparar a irregularidade mostra que se alcança

melhores qualidades usando DFFs de -0,25 e -0,35mm. Porém, assim como aconteceu no

52

cobre, canais usinados com DFFs menores que -0,2mm apresentaram uma geometria de

degrau. Assim, os melhores resultados ficam para valores de distância fora-de-foco de -

0,15 e -0,2mm, valores muito semelhantes aos do cobre e latão.

4.4 Alumínio

Entre os metais testados, o Alumínio é o que possui a menor temperatura do ponto

de fusão, enquanto possui o ponto de ebulição muito semelhante aos outros metais

(Tabela 4.1). Isso significa que a parte da zona afetada pelo calor do laser que sofre

derretimento é maior, causando maior irregularidade no uso do mesmo valor de fluência.

A peça utilizada possui as dimensões 45x20x3mm (Figura 4.20).

Figura 4.20: Peça de Alumínio utilizada nos testes. Possui as dimensões 45x20x3mm.

Nos testes com apenas um passe e com 5000Hz de frequência, 15mm/s de

velocidade de corte, 100% de potência, canais usinados com DFFs entre 0,15 e 0,3mm

apontaram uma irregularidade superior a 70%, o que implica numa obstrução quase total

do canal. Esses resultados estão apresentados na Figura 4.21.

Figura 4.21: Histograma da relação entre a Irregularidade dos canais e Distância Fora-de-foco [mm] para

canais feitos com 1 passe para o Alumínio.

53

Os testes de dois passes (com mesmos parâmetros) exibiram ainda piores

resultados, tendo o campo de DFFs que resultaram em canais obstruídos aumentado para

DFFs entre -0,3 e 0,35mm. Eles podem ser observados na Figura 4.22.

Figura 4.22: Histograma da relação entre a Irregularidade dos canais e Distância Fora-de-foco [mm] para canais

feitos com 2 passes para o Alumínio.

A região testada que não obteve irregularidade alta em nenhum dos dois testes fica

entre DFFs de 0,4 a 0,55mm. Os resultados de profundidade para os testes realizados com

1 passe (parâmetros de ablação já citados anteriormente) dessa região de valores de DFF

estão na Figura 4.23 abaixo.

54


Alumínio.

O interessante, é que mesmo usando valores de DFFs afastados da distância de

Rayleigh, a ablação do alumínio apresentou profundidades superiores aos outros metais

testados, visto que a fluência necessária para usinar o alumínio não é tão alta como dos

outros metais testados, devido à sua baixa massa específica (Tabela 4.1). As larguras da

base superior para esses valores de DFFs se mantém muito próximas, tendo um valor

médio de 21,0 ± 0,7µm.

55

5 PROCESSO DE FABRICAÇÃO

O processo de fabricação utilizado para fazer a ablação a laser é muito semelhante

ao processo utilizando a microfresadora, visto que os dois utilizam código G para o

controle da usinagem. Este processo se divide em seis etapas:

i. Desenho da geometria em um software CAD;

ii. Geração do código G em um software CAM;

iii. Adaptação do código G gerado para a utilização do laser;

iv. Configuração da máquina;

v. Posicionamento e fixação da peça;

vi. Leitura do código pelo software de controle da máquina.

Todos os softwares utilizados nesse processo foram disponibilizados pelo

LabMEMS, sendo SolidWorks para o desenho em CAD e VisualMILL 2012 o software

CAM.

Durante a geração do código G, é necessário considerar que, caso o laser passe

duas vezes em um mesmo ponto, mesmo sem compensar a profundidade do canal fazendo

um deslocamento vertical, a região será usinada mais de uma vez. Assim, para que não

haja irregularidades causadas por pontos usinados um número diferente de vezes que

outros, deve-se escolher um caminho no CAM onde a ferramenta (no caso aqui, o laser)

não passe mais de uma vez no mesmo ponto. No VisualMILL 2012, a função escolhida

para satisfazer essa limitação é Pocketing por Linear Cuts.

Como discutido na Seção 3.9.3, a fim de atingir uma maior qualidade na ablação,

é preciso utilizar passes-duplos alternados, isso é, para cada passe deve gerar um código

G, onde cada código faz um caminho oposto de usinagem. No VisualMILL 2012, o código

de caminho oposto pode ser gerado invertendo o ponto de início da usinagem

selecionando a opção Start at Top.

O código G gerado no VisualMILL 2012 é feito para a utilização no fresamento,

então é preciso adaptá-lo para a utilização na ablação. A fim de automatizar a adaptação,

foi desenvolvido um programa em Python que junta os dois códigos G gerados, CAM1.txt

e CAM2.txt (de caminhos alternados), em um só e faz as adaptações necessárias para a

leitura pela máquina, gerando o código LASER.txt. Essas adaptações estão no cabeçalho

e nos momentos de transição do laser entre regiões que devem ser usinadas e regiões que

não devem.

56

O cabeçalho é substituído pelos comandos que dão nome às variáveis de controle

dos parâmetros de ablação, comandos de checagem de segurança e comandos para o

usuário da máquina poder dar os valores dos parâmetros no início do processo de ablação.

No faceamento por fresamento, para a ferramenta se locomover sem usinar a

superfície, ela sobe até uma distância de segurança configurada pelo operador. No caso

da ablação a laser, não há a necessidade de fazer um deslocamento no eixo Z, visto que o

laser pode ser desligado pelo comando BEAMOFF e religado pelo comando BEAMON.

O programa faz, então, a substituição do código que leva a ferramenta até a altura de

segurança por BEAMOFF e o código que traz a ferramenta de volta para a altura de

usinagem por BEAMON (o código do programa está disponível no Apêndice B).

Após a preparação dos códigos, a máquina deve ser configurada. Após ligar, os

eixos precisam ser ativados. Isso é feito através do botão localizado em Operator Buttons

chamado Enable & Home All Axis, que irá ativar e zerar os três eixos de movimento. A

frequência, então, deve ser digitada no campo indicado e então deve-se clicar em Set,

como mostrado na Figura 5.1 abaixo.

Figura 5.1: Painel de escolha de Frequência no Cimita.

No painel de controle do Laser acima do controle de Frequência, deve-se escolher

99% de corrente do diodo e ligar o mesmo pelo botão ON em Diodes Switch. O diodo

então começa a ser carregado, o que leva cerca de 1 minuto até atingir a corrente

escolhida.

Após o diodo estar devidamente ligado, o obturador de segurança deve ser

acionado pelo botão OPEN em Shutter Switch. Após o laser ser ligado, o painel deve estar

como na Figura 5.2 abaixo.

57

Figura 5.2: Painel de controle do Laser no Cimita.

A base da máquina possui furos rosqueados de 3mm de diâmetro posicionados

precisamente. Esses furos podem ser usados para o posicionamento da peça, via o uso de

parafusos colocados de maneira de formar uma “parede” para garantir o posicionamento

da peça, como na Figura 5.3 abaixo.

Figura 5.3: Posicionamento da peça.

No fresamento, a peça usinada sofre forças horizontais devido ao movimento da

ferramenta, exigindo fixações resistentes. Na ablação a Laser, apenas o movimento da

58

base gera movimentação da peça, tornando possível o uso de fixações mais simples. A

fixação pode ser feita com uma massa de alta plasticidade, fornecida pelo fabricante da

máquina, que possui uma espécie de cola, indicada na Figura 5.4 abaixo.

Figura 5.4: Fixação da peça.

Após a fixação da peça, a porta da máquina deve ser fechada e o obturador de

segurança aberto pelo botão Open externo à máquina, o que também liga o exaustor

(Figura 5.5).

Figura 5.5: Botão de abertura e fechamento do obturador de segurança.

59

O laser, então, deve ser posicionado de forma que fique na origem dos eixos X e

Y, escolhida na geração do código G, em relação à peça. A posição inicial do eixo Z é na

posição de foco da lente da câmera microscópica de visualização. O valor de Z

configurado na máquina é de 48,15mm. É importante saber que a distância focal da lente

da câmera é diferente da distância focal da lente do laser (o valor de Z para a distância

focal do laser em relação à base da máquina é de 48,60mm), mas o programa em Python

já faz essa conversão, por isso o Z deve ser zerado no foco da lente da câmera. A espessura

da peça usinada deve ser descontada desse valor para focar a câmera na peça. Por

exemplo, para focar em uma peça de 3mm de espessura, deve-se deslocar o laser no eixo

Z até o valor 45,15mm. O controle do movimento nos eixos pode ser feito através do

painel apresentado na Figura 5.6 abaixo.

Figura 5.6: Painel de controle do posicionamento do Laser no Cimita.

Após o posicionamento do Laser, o código G adaptado deve ser carregado pelo

botão Load e, para iniciar a ablação, deve-se acionar o botão Start.

60

6 APLICAÇÕES

Tendo um melhor conhecimento do comportamento e do processo da fabricação,

a ablação a laser pode ser aplicada para diferentes processos, dentro e fora da

microfluídica. As aplicações utilizadas foram a fabricação de um microtrocador de calor

em Latão, o corte de fita supercondutora 2G HTS SF12050 e o corte da cerâmica verde

LTCC para a fabricação de microdispositivos em 3D.

6.1 Microtrocador de calor em Latão

A síntese de biodiesel pode ser feita de maneira eficiente, com curto tempo de

residência e baixo custo tanto operacional, como energético, via transesterificação através

de microrreatores. (Xie, et al., 2012)

O sistema do microrreator é formado por três partes: uma tampa, o microrreator e

um microtrocador de calor. A função do microtrocador é de manter a mistura de álcool

etílico e óleo de soja à temperatura de 65°C (Moraes, 2015). A Figura 6.1 abaixo ilustra

o sistema.

Figura 6.1: Sistema do microrreator. (Moraes, 2015)

O microtrocador utiliza a água quente da saída do mesmo para aquecer a mistura

de álcool e óleo no microrreator, facilitando a reação do biodiesel. Ele é usinado em uma

placa de latão de 3mm de espessura com uma fina camada de estanho de 60µm para a

selagem. O modelo em CAD do microtrocador está mostrado na Figura 6.2 abaixo.

61

Figura 6.2: Modelo em CAD do microtrocador de calor.

A peça utilizada possui as dimensões 48x25x3mm, e foi previamente faceada com

uma fresa de 3mm de diâmetro. A entrada e saída de água são furos rosqueados de 3mm

de diâmetro e os outros três furos são passantes de 2,4mm para posicionamento dos

microtrocadores e foram usinados na microfresadora antes do microcanal, visto que o

Laser não consegue fazer furos passantes em peça de latão com 3mm de espessura.

O estanho foi previamente depositado no latão para facilitar o processo de

selagem, esse processo foi mais detalhado por Moraes (2015). A Figura 6.3 apresenta a

peça após toda a preparação feita antes da ablação dos microcanais.

Figura 6.3: Peça de latão com estanho antes da ablação.

O microcanal que se deseja fabricar possui as dimensões de projeto de 250µm de

espessura de entrada e 250µm de profundidade e seu desenho técnico pode ser visto na

Figura 6.4 abaixo.

62

Figura 6.4: Representação do Microtrocador de Calor. Dimensões em milímetros.

Antes do laser alcançar o latão, ele precisa usinar completamente a camada de

estanho, visto que ela tem 60µm, 24% da profundidade total usinada. A Tabela 6.1 abaixo

compara as propriedades dos dois materiais, que, como possuem valores razoavelmente

próximos de massa específica e calor específico, espera-se que as quantidades de material

removido para cada metal sejam semelhantes, não havendo a necessidade de mudança

nos parâmetros de ablação.

Tabela 6.1: Propriedades térmicas do Latão e do Estanho (MatWeb, 2016).

Metal Latão Estanho.

Massa específica [g/cm³] 8,75 7,29

Condutividade Térmica [W/m.K] 124 60,7

Calor Específico [J/g°C] 0,380 0,256

Ponto de Fusão [ºC] 917 232

Ponto de Ebulição [ºC] 2560 2602

Para alcançar esses valores, a ablação usou os parâmetros baseados na Tabela

4.12, visto que na Seção 4.2 foi mostrada que o material removido durante a ablação do

Latão é muito semelhante ao cobre. Os valores são: 5000Hz de frequência do laser,

15mm/s de velocidade de corte, DFF de -0,05mm, potência em 100%, 28 passes-duplos,

63

com avanço horizontal de 15µm e vertical de 10µm. A ablação levou 1 hora e 38 minutos

para ser concluída. A Figura 6.5 abaixo mostra um instante do processo de ablação. O

ponto branco na peça é a posição onde o laser estava passando durante o momento da

foto.

Figura 6.5: Foto tirada durante o processo de usinagem do microtrocador de calor.

Após a ablação, a peça foi colocada no banho ultrassom (apresentado na Seção

3.1) para limpeza. A Figura 6.6 mostra a peça após todo o procedimento de usinagem.

64

Figura 6.6: Microtrocador de calor.

A análise no Microscópio Hirox KH-8700 mostrou, através da medição em 30

pontos ao longo do microcanal, que a usinagem resultou em uma profundidade de 246,7

± 4,0µm e largura da borda superior do canal de 261,9 ± 6,2µm, valores muito próximos

do projetado de 250µm. O ângulo de inclinação do perfil é de 73,4 ± 3,6°, resultando em

uma largura da base de 114,5 ± 6,7µm. A Figura 6.7 apresenta a imagem em 3D da

conexão T do canal, com a escala de cores representando a profundidade.

Figura 6.7: Imagem 3D gerada pelo microscópio Hirox KH-8700 da interseção em T do microcanal.

65

6.2 Corte de fita supercondutora 2G HTS

A fita supercondutora 2G HTS é composta por um substrato de aço inoxidável de

50µm de espessura envolvido por duas camadas de 2µm de prata, uma camada de

cerâmica supercondutora (RE)BCO de 1µm e pequenas camadas buffer de

aproximadamente 0,2µm, totalizando cerca de 55µm de espessura (SuperPower, 2016),

como ilustrada na Figura 6.8 abaixo.

Figura 6.8: Representação da fita supercondutora 2G HTS. Adaptado de (SuperPower, 2016).

Essa fita tem diversas aplicações, como no protótipo de máquinas elétricas

supercondutoras e cabos de transmissão de energia supercondutores.

O corte foi feito visando a utilização no desenvolvimento de um mancal magnético

que utiliza segmentos de fitas cortadas. (Sass, et al., 2015) A Figura 6.9 ilustra o conjunto

de fitas 2G HTS cortadas transversalmente e colocadas lado a lado para gerar o loop de

corrente induzida indicado pela seta vermelha.

Figura 6.9: Geração de corrente induzida por fitas HTS 2G (Sass, et al., 2015).

66

A fita possui 15mm de largura e está mostrada na Figura 6.10 abaixo.

Figura 6.10: Foto da fita supercondutora 2G HTS SF12050.

Foram feitos cortes passantes com diferente número de passes-duplos alternados

na fita. Para que o corte seja feito totalmente, isto é, não havendo a necessidade de partir

manualmente depois de uma grande diminuição de espessura. Os parâmetros de ablação

foram escolhidos baseados em que 90% da espessura da fita é composta de aço

inoxidável, então os resultados encontrados na Seção 4.3 foram utilizados nessa decisão.

Logo, os parâmetros utilizados foram 5000Hz de frequência, 15mm/s de velocidade de

corte, -0,1mm de DFF, 100% de potência e avanço vertical de 10µm.

Essas configurações resultaram em um corte total a partir do uso de 3 passes-

duplos, com uma rugosidade total de 8,3 ± 4,2µm, tirada de 10 medições ao longo da

largura da fita, e espessura de aproximadamente 20µm. O corte foi caracterizado no

Microscópio digital Hirox KH-8700 e está apresentado na Figura 6.11.

67

Figura 6.11: Imagem do corte da fita supercondutora gerada pelo microscópio digital Hirox KH-8700.

6.3 Corte de cerâmica verde LTCC

O material LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic ou Cerâmica com baixa

temperatura de sinterização) é comumente usado na fabricação de MCM (MultiChip

Module), mas trabalhos recentes vêm estudado o seu uso na fabricação de dispositivos

microfluídicos, como microrreatores para a síntese do biodiesel (Cunha, 2012).

A grande vantagem da utilização de LTCC é a fabricação de dispositivos 3D. A

usinagem das geometrias de cada camada do dispositivo é feita em fitas cerâmicas, que

depois de laminadas e co-sinterizadas, formam uma estrutura tridimensional.

(Matsumoto, et al., 2002)

A Figura 6.12 ilustra o processo de formação de uma estrutura básica

tridimensional em LTCC.

68

Figura 6.12: Exemplo da fabricação de uma estrutura básica tridimensional em LTCC (Matsumoto,

et al., 2002).

A figura 6.13 ilustra a fabricação de um dispositivo tridimensional completo em

LTCC.

Figura 6.13: Diagrama da fabricação de um dispositivo tridimensional completo em LTCC (Cunha,

2012).

A LTCC usada no teste é a GreenTape™ 951 LTCC (DuPont, 2016) com 120µm

de espessura. A foto de um pedaço pode ser visto na Figura 6.14.

Figura 6.14: Fita verde da LTCC de 120µm de espessura.

A fita cerâmica testada possui 120µm de espessura. Semelhante ao teste da fita

supercondutora, foram feitos cortes passantes com número de passes diferentes até que a

69

fita fosse totalmente cortada. A quantidade de material removido da cerâmica é bem

superior quando comparada aos metais, devido às propriedades térmicas que podem ser

vistas na Tabela 6.2 abaixo.

Tabela 6.2: Propriedades térmicas da LTCC (MatWeb, 2016).

Material LTCC

Massa específica [g/cm³] 1,78

Condutividade Térmica [W/m.K] 1,2

Calor Específico [J/g-°C] 0,700

Como o corte sendo feito é passante, a utilização de parâmetros para alcançar uma

alta fluência, diminuindo o número de passes necessários para realizar o corte, é

interessante. Assim, seguindo as informações da Seção 4.1, foi escolhido usar 5000Hz de

frequência, distância focal, 15mm/s de velocidade de corte e 100% de potência. foi

necessário um passe-duplo para atravessar completamente a fita cerâmica.

A caracterização do corte no Hirox KH-8700, utilizando dez medições, retornou

uma largura de 53,1 ± 6,8µm, que, como o corte foi usinado sem avanços, está próximo

de ser a menor largura que se pode cortar esse material, e rugosidade de 9,3 ± 1,4µm. Na

Figura 6.15, pode-se ver o corte com formato de L, com 4mm de comprimento para cada

perna, feito na cerâmica com zoom de 50 vezes. Na Figura 6.16 é apresentada a imagem

do corte com zoom de 350 vezes.

70

Figura 6.15: Corte em "L" na LTCC. Zoom: 50x.

Figura 6.16: Corte na LTCC. Zoom: 350x.

71

7 CONCLUSÕES E SUGESTÕES

O estudo experimental da ablação a laser apresentou resultados muito próximos

dos previstos, com algumas divergências em alguns materiais, como aconteceu com o

comportamento dos valores de largura da borda superior dos canais do aço inoxidável e

dos valores de distância fora-de-foco onde se alcançou os melhores resultados para o

alumínio.

Os resultados permitiram a usinagem de canais com profundidade mínima de

aproximadamente 5µm e largura de 15µm. As profundidades máximas variaram de

acordo com a largura e a razão entre profundidade máxima e largura máxima foi se

mantendo um pouco superior a 1 para canais com até aproximadamente 500µm de

largura. O limite de profundidade alcançado para este laser foi de cerca de 500µm.

Através dos testes, o objetivo do trabalho de possibilitar a escolha dos parâmetros

do laser para alcançar a geometria do canal projetada foi atingido. Porém, também foram

encontradas as limitações impostas pelo laser e pela base responsável pelo movimento

durante a usinagem. Essas limitações estão no valor máximo de velocidade devido à

aceleração da base, causando uma restrição no tempo de usinagem, e no limite de

profundidade de canal alcançado pelo laser de aproximadamente 500µm.

O comportamento da usinagem de acordo com os parâmetros mostrou que a

potência é o melhor parâmetro para controlar a profundidade por passe, pois altera essa

profundidade de maneira linear.

Da alteração da qualidade dos canais devido a diferentes valores de distância fora-

de-foco concluiu-se que na usinagem de materiais diferentes, é importante encontrar os

valores onde essa qualidade seja alta. Para os metais testados, esses intervalos de valores

de DFF podem ser encontrados na Tabela 7.1 abaixo.

Tabela 7.1: Valores de DFFs para os metais testados.

Metal DFFs com baixa irregularidade

Cobre -0,1mm até -0,2mm

Latão -0,05mm até -0,2mm

Aço Inoxidável -0,15mm até -0,2mm

Alumínio 0,4mm até 0,55mm

72

O diâmetro do laser impôs um limite prático à técnica de usinagem. Devido ao seu

baixo valor de 10µm no foco, o tempo de usinagem de geometrias com centenas de

micrômetros acaba sendo muito superior ao tempo utilizando uma microfresadora CNC

com ferramentas de diâmetros próximos ao da largura do canal. Apesar da velocidade

utilizada na ablação a laser ser da ordem de vinte vezes maior que a velocidade da

ferramenta durante o microfresamento, o número de avanços que o laser precisa dar para

alcançar a largura desejada é muito maior. Através das experiências com microusinagem

de microdispositivos no LabMEMS, é notado que o custo por peça do microfresamento

começa a ser muito elevado utilizando ferramentas menores que 400µm. Assim, foi

concluído que o limite prático da ablação a laser seja para canais de até 400µm de

espessura.

7.1 Sugestões de trabalhos futuros

A máquina e o laser utilizados nesse estudo possuem limitações que causam a

redução da qualidade da usinagem, como a aceleração da base (Seção 3.6), e que limitam

o tamanho dos microdispositivos viáveis de serem usinados, como o diâmetro e a potência

do laser utilizado (Seção 4.1.5).

A sugestão para contornar o limite causado pela aceleração é a aquisição de um

PSO (Position Synchronized Output ou Saída de Posição Sincronizada), que varia a

frequência do laser de acordo com a velocidade de corte, mantendo a mesma sobreposição

dos pulsos.

Para a usinagem de microdispositivos maiores, a Alpha Series Oxford Laser

Machine permite a instalação de dois lasers diferentes para substituição de acordo com o

tipo de trabalho que almeja fazer. Seria recomendada a aquisição de um laser Nd:YAG

com potência e diâmetro maiores para a ablação de microcanais maiores.

A aquisição de uma mesa de vácuo facilitaria a fixação (Figura 5.4) das peças na

máquina, tirando a necessidade do uso das massas de alta plasticidade. Como a montagem

da máquina funciona como uma microfresadora CNC, seria possível adaptar uma mesa

de vácuo usada nesse tipo de máquina para a máquina de ablação a laser, porém, uma

mesa feita para microfresadoras CNC poderia causar o problema de aspirar o vapor do

metal removido. A mesa de vácuo vendida pela própria Oxford Lasers, já adaptada para

utilização em processos de ablação a laser, seria ideal.

Pesquisar novas aplicações do laser também é interessante. Uma sugestão é usar

do conhecimento de que o vidro e outros materiais polímeros transparentes são invisíveis

73

para o laser Nd:YAG. Castelo, et al. (2007) já estuda meios de escrever na parte de trás

do vidro através da ablação de uma peça de metal posicionada atrás dele. Essa técnica

pode ser adaptada e estudada para fazer a usinagem de microcanais após a selagem com

a tampa de vidro. Uma tentativa já foi realizada usando os parâmetros de 5000Hz de

frequência, 15mm/s de velocidade de corte, 100% de potência, 15µm de avanço

horizontal, 30 passes com 10µm de avanço vertical (de acordo com os resultados da Seção

4.1). A selagem do latão com o vidro, realizada antes da ablação, foi feita com uma cola

epóxi (POLLY HUBBY – PULVITEC) com um tempo de cura de 2 horas, como

recomendado por Junior, et al. (2015). O resultado da ablação pode ser visto na Figura

7.1, mas seria necessário mais testes e estudos para tornar essa técnica viável.

Figura 7.1: Ablação do cobre através do vidro.

74

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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produção de Biodiesel. USP / Escola Politécnica / Departamento de Engenharia de

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77

APÊNDICES

A. Tabela de resultados para canais com mais de 400µm de

profundidade

Tabela A.1: Variação da profundidade para canais com espessura de entrada de até 700µm.

DFF [mm] NA NPD H [µm] WS [µm] WB [µm] θ [°]

-0,1 30 15 170,5 ± 7,0 485,8 ± 12,1 271,9 ± 6,8 57,9 ± 4,0

-0,1 30 25 257,4 ± 14,0 501,5 ± 12,5 216,1 ± 5,4 61,0 ± 4,1

-0,1 30 50 367,5 ± 16,4 527,5 ± 13,2 173,7 ± 4,3 64,3 ± 3,4

-0,1 30 75 447,0 ± 11,1 516,7 ± 12,9 101,7 ± 5,0 65,1 ± 3,1

-0,1 30 100 442,6 ± 10,6 522,6 ± 13,0 119,1 ± 6,0 65,5 ± 2,6

-0,1 40 15 82,3 ± 5,1 633,1 ± 15,8 498,4 ± 12,4 50,7 ± 8,4

-0,1 40 25 170,1 ± 4,1 645,5 ± 16,1 400,1 ± 10,0 54,2 ± 10,6

-0,1 40 50 340,4 ± 9,6 672,1 ± 16.8 285,7 ± 7,1 60,4 ± 1,7

-0,1 40 75 406,9 ± 12,1 694,3 ± 17,4 213,0 ± 5,3 59,4 ± 6,6

-0,1 40 100 422,6 ± 11,2 690,0 ± 17,2 174,6 ± 8,7 58,6 ± 5,7

78

B. Código em Python do programa para adaptação do código G para

ser utilizado na ablação a laser

# CODIGO 1 - IDA # f = open("../CAM1.txt", 'r') listaA=f.readlines() a=len(listaA) i=0;j=0;k=0 del listaA[a-1] del listaA[a-2] while i< 5: del listaA[0] i=i+1 while j < len(listaA) and k < len(listaA): if listaA[j] == "G00 Z6.\n": listaA[j] = 'BEAMOFF\nF$FASTMOVE\n' j=j+1 if listaA[k] == "G01 Z0. F100.0\n": listaA[k] = 'BEAMON\nF$SPEED\n' k=k+1 # CODIGO 2 - VOLTA # f = open("../CAM2.txt", 'r') listaB=f.readlines() b=len(listaB) i=0;j=0;k=0;l=0 del listaB[b-1] del listaB[b-2] while i< 5: del listaB[0] i=i+1 while j < len(listaB) and k < len(listaB): if listaB[j] == "G00 Z6.\n": listaB[j] = 'BEAMOFF\nF$FASTMOVE\n' j=j+1 if listaB[k] == "G01 Z0. F100.0\n": listaB[k] = 'BEAMON\nF$SPEED\n' k=k+1 f = open("../LASER.txt", 'w') f.writelines(""";Programa convertido ;LabMEMS ;ESSE CÃ“DIGO FOI CONVERTIDO A PARTIR DO CÃ“DIGO GERADO PELO CAM DVAR $PASSES DVAR $FASTMOVE, $SPEED, $PSODIST DVAR $resp DVAR $POWER DVAR $DISTZ, $STEP, $ZEND ;*************************************************************************** BEAMOFF G90 G71 ;ALL UNITS ARE IN MM. SPEED IS IN MM/S MSGCLEAR -1 " " SAFETYSHUTTER_CHECK ;INTERNAL_TRIG_FREQ_CHECK

79

$POWER=100 $FASTMOVE=100 $PASSES=1 $SPEED=15 $DISTZ=-0.1 $STEP=0.01 $POWER=MSGINPUT DF_MSGBOX_OKONLY "POTENCIA DO LASER ;Digite a Potencia do Laser em %;"$POWER $PASSES=MSGINPUT DF_MSGBOX_OKONLY "NUMERO DE PASSES-DUPLOS ;Digite o numero de slices.;"$PASSES $SPEED=MSGINPUT DF_MSGBOX_OKONLY "VELOCIDADE DE CORTE;Digite a velocidade (mm/s).;"$SPEED $DISTZ=MSGINPUT DF_MSGBOX_OKONLY "DISTANCIA FORA-DE-FOCO;Digite a distÃ¢ncia fora-de-foco (OOF distance) (mm).;"$DISTZ $STEP=MSGINPUT DF_MSGBOX_OKONLY "AVANCO VERTICAL;Digite a avanÃ§o vertical (mm).;"$STEP $ZEND=0.45-$DISTZ FARCALL "ATTENUATOR.PGM" s$POWER MSGDISPLAY 1, "Program started at " "#TS" ;******************************************** G92 X0 Y0 Z0 G01 Z$ZEND G4 F0.25 F$SPEED RPT $PASSES G01 ;G01-Movimento com avanÃ§o F """) f.writelines(listaA) f.writelines(""" G91 G01 Z$STEP G90 """) f.writelines(listaB) f.writelines(""" G91 G01 Z$STEP G90 """) f.writelines(""" ENDRPT G4 F0.1 G0 X0 Y0 Z0 F$FASTMOVE G4 F0.01 MSGDISPLAY 2, "{#F3 #F}" "Program finished at " "#TS" M2""") f.close()

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