FACULDADE DO CENTRO LESTE
Bruno Damiani Bruno Schaukoski Carlos Peterle Hamilton Mendonça Renara Carvalho Tiago Oliveira
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1. Introdução:
O feixe de elétrons é uma tecnologia utilizada para processamento de materiais, utilizando o calor gerado pelo impacto dos elétrons com o material a trabalhar. Devido às diferentes possibilidades de aplicar-se este calor sobre a peça têm-se diferentes formas de utilizar o feixe eletrônico; como por exemplo: • • • •
Soldagem Corte Tratamento superficial Micro-usinagem
. 1.2. Quando surgiu?
Este processo foi inicialmente utilizado por volta dos anos 50, na área de soldagem, quando as primeiras construções nucleares passaram a exigir a soldagem isenta de oxidação, de materiais reativos como o titânio e o zircônio. 1.3. O que é Feixe de Elétrons?
Este método baseia-se no princípio de que o bombardeamento de elétrons gera energia, ou seja, quando os elétrons são acelerados e concentrados em um feixe, uma intensa energia cinética é produzida. Quando o feixe assim concentrado choca-se contra uma superfície bem definida, o impacto faz com que a energia cinética transforme-se em energia térmica, alcançando altíssimas temperaturas, capazes de fundir praticamente todos os tipos de materiais conhecidos. 1.4. Principio de funcionamento:
O canhão emissor de elétrons, que sempre trabalha em alto vácuo (10-4 Torr), é o dispositivo que gera os elétrons. É composto, basicamente, de um mecanismo de emissão e aceleração dos elétrons, constituído pelo cátodo e pelo ânodo. O cátodo, que é montado dentro de uma válvula conhecida por “Wehnelt”, é feito de um filamento de tungstênio, e quando aquecido até 2.500°C ou 3.000°C, liberta elétrons. A alimentação do canhão é feita por um transformador especial de alta tensão, que produz uma grande diferença de potencial (ddp) entre o cátodo e o ânodo, da ordem de 150kV, suficiente para acelerar os elétrons em direção à peça a ser usinada. Os 2
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elétrons assim acelerados chegam a atingir de 0,2 a 0,7 da velocidade da luz. Os elétrons acelerados são direcionados para o ânodo e o atravessam saindo por um orifício na extremidade. Na saída do ânodo, os elétrons acelerados passam pelo diafragma que serve para fazer convergir o feixe. Mesmo no vácuo, o feixe tende a dispersar-se. Para evitar essa dispersão, ele é conduzido através de um conjunto de lentes magnéticas.
Figura 1: Representação esquemática de uma pistola para produção de feixes de elétrons.
1.5 Importância na usinagem:
Por enquanto, algumas aplicações da usinagem por feixe de elétrons ainda se encontram em fase experimental, não representando uma alternativa competitiva do ponto de vista técnico ou econômico, quando comparadas a outros processos. Mesmo assim, a indústria aeroespacial, a aeronáutica e a eletrônica são exemplos de áreas que já vêm utilizando este processo com resultados positivos na produção de múltiplos microfuros, litografia em semicondutores e microusinagem de peças complexas.
2. Usinagem por Feixe de Elétrons: Quando o feixe assim concentrado choca-se contra uma superfície bem definida, o impacto faz com que a energia cinética transforme-se em energia térmica, alcançando 3
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altíssimas temperaturas, capazes de fundir praticamente todos os tipos de materiais conhecidos. O mecanismo pelo qual os feixes concentrados penetram na peça ainda não é completamente conhecido. Entretanto, sabe-se que a energia altamente concentrada do feixe de elétrons vaporiza instantaneamente o material no ponto de impacto. O material derretido ao redor do ponto de impacto é rapidamente ejetado pela pressão do vapor sendo, dessa forma, removido do material. A convergência do feixe pode ser ajustada por meio de lentes magnéticas. Dependendo do modo como o feixe é aplicado sobre a peça, pode ser u sado para outras finalidades, além da soldagem, como o tratamento térmico, o corte de materiais e a microusinagem.
Figura 2: Representação esquemática de uma máquina industrial para produção de feixes de elétrons.
3. Vantagens: - Altas taxas de furação (até 4000 furos/s); - Fura qualquer material; - Sem distorção térmica ou mecânica; - Parâmetros controlados via computador; - Grande precisão.
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3.2. Desvantagens: - Equipamento caro; - Tempo de não produção para fazer vácuo (lead-time); - Camada refundida; - Requer grande conhecimento do operador; - Até 10 mm de espessura; - Tamanho limitado da peça à câmara de vácuo; - Requer proteção contra raios-x.
4. Aplicações: Por enquanto, algumas aplicações da usinagem por feixe de elétrons ainda se encontram em fase experimental, não representando uma alternativa competitiva do ponto de vista técnico ou econômico, quando comparadas a outros processos. Mesmo assim, a indústria aeroespacial, a aeronáutica e a eletrônica são exemplos de áreas que já vêm utilizando este processo com resultados positivos na produção de múltiplos microfuros, litografia em semicondutores e microusinagem de peças complexas. 5. Equipamento e características do processo de usinagem por feixe de elétrons:
Características do processo térmico de remoção de material via fusão e vaporização que utiliza um feixe focalizado de elétrons em alta velocidade para cortar e furar em altas velocidades.
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FACULDADE DO CENTRO LESTE Características Gerais:
- Energia cinética dos elétrons (75% da velocidade da luz) Energia térmica para fusão ou vaporização de qualquer material; - Requer câmara de vácuo – 1Pa (10-2 mbar) (reduzir atrito dos elétrons com moléculas de gás); - Densidade de 108 W/m2 (contra 107 W/m2 do EBW); - Pulsado: Normalmente um único pulso é suficiente, mas se o material for espesso, pode-se utilizar múltimos pulso (1 kHz); - Cobre-junta: material sintético ou orgânico para gerar aumento da pressão de vapor e expulsar o material (o que pode ocasionar em respingos); - Tolerâncias da ordem de 5% do φ furo ou 0,03 mm; - φ furo: 0,1 a 1,4 mm em espessura até 10 mm (grande relação penetração/largura – até 100:1); - Camada refundida e ZAC de 0,025mm. Princípios de funcionamento:
Quatro passos para a furação via feixe de elétrons. Equipamento:
O sistema é parecido com o EBW-HV: câmara de vácuo, manipulador da peça e sistema de controle. Exceção ao canhão de elétrons e fonte. Canhão de elétrons:
- Gerar, dar forma e defletir o feixe de elétrons para a peça; - Só operada em forma pulsada; - O feixe passa por uma abertura (pinhole) para retirar elétrons espúrios da periferia do feixe (melhor foco maior densidade de energia); - Tem também proteção contra respingos/vapores (série de discos rotativos sincronizados com a pulsação do feixe). - Fonte de energia: 150 kV; até 12 kW e 120 J/pulso - Para evitar descargas, os componentes de alta tensão são imersos em óleo dielétrico; 6
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- Vácuo da ordem de 10-2 mbar demora 3 min em uma câmara de 1 m3.
CNC EBM multi-eixo (Messer Griesheim GmbH)
6. Peças fabricadas pelo processo:
Furos (φ 0.2 mm) em chapa 5mm de cobre a uma taxa de 6 furos/s.
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Cabeçote giratório com 11,766 furos feitos a u ma taxa de 5 furos/s.
Furos por EBM feitos em uma chapa de 1mm de espessura (ampl. 10 x).
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7. Conclusão: A usinagem por feixe de elétrons traz grande precisão nas peças usinadas e com altas taxas de remoção de material. Sua utilização é muito restrita devido aos altos custos dos equipamentos e segurança diferenciada devido a radiação emitida pelo equipamento.
8. Bibliografia: “Fundamentos da Usinagem dos Metais”. Edgard Blücher Telecurso 2000 - Cursos profissionalizantes - Processos de Fabricação II HTTP://www.lmp.ufsc.br/disciplinas/emc5240/Aula-29-U-2007-1processos_nao- convencionais.pdf
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