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Física

Laser nas fábricas

Luz guiada por fibra óptica impulsiona uso industrial

MIGUEL BOYAYAN

Soldagem a laser: luz passa por lente e atinge conector preso ao anteparoMIGUEL BOYAYAN

Em outubro do ano passado, a indústria catarinense Tupy Fundições, uma das maiores do segmento no Brasil, enfrentava um grande desafio. Para executar um contrato milionário de fornecimento de peças automotivas para a montadora General Motors, nos Estados Unidos, a empresa brasileira precisava provar que era capaz de realizar fraturas induzidas por laser em estruturas de motores automotivos como as capas de mancais. No interior dessas estruturas são montados os virabrequins, eixos que recebem a força térmica da explosão enviada pelos pistões e transmite essa energia em forma de força mecânica para as demais peças do motor.

Como não dominava o processo a laser, a empresa, sediada em Joinville, procurou os engenheiros do Instituto de Estudos Avançados (IEAv) do Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial (CTA), localizado na cidade de São José dos Campos, no interior paulista. Pouco mais de um mês depois, os especialistas demonstraram a viabilidade de realizar microrranhuras a laser guiadas por fibra óptica no bloco de ferro que pode ser fraturado, com segurança e precisão, por meio de uma forte pressão de uma cunha hidráulica na montagem dos motores.

“O processo a laser separou, num corpo-de-prova, a capa de mancal do bloco do motor em uma única operação, reduzindo o número de operações de usinagem e os custos de fabricação”, afirma José Cláudio Macedo, diretor de usinagem da Tupy. Com isso, a empresa provou a viabilidade do contrato e passará a fornecer, a partir de 2009, 60 mil blocos por ano à montadora americana. O sucesso da operação foi possível porque, além do alto conhecimento dos pesquisadores do IEAv sobre lasers e suas aplicações industriais, o instituto adquiriu em 2006 uma nova estação de processamento de materiais com laser a fibra óptica de alta potência. “Trata-se de um equipamento com propriedades superiores às dos lasers tradicionalmente empregados em processos industriais, como os de dióxido de carbono (CO2) e o de neodímio-YAG (Nd:YAG).

“Ele foi muito útil nesse projeto e tem ampla aplicação em operações de corte, soldagem e tratamentos térmicos de materiais”, diz o físico Rudimar Riva, chefe do Laboratório Multiusuário de Desenvolvimento de Aplicações de Lasers e Óptica (Dedalo) do IEAv. “A instalação do equipamento, único na América do Sul, contribui para o desenvolvimento de novos processos de fabricação, aumentando o valor agregado de produtos nacionais e permitindo a qualificação de recursos humanos na área de processamento de lasers”, diz Riva.

Para a Tupy, o equipamento surgiu no momento exato. “Se não tivéssemos conseguido desenvolver esse processo, teríamos que adquiri-lo de empresas alemãs, as únicas que dominam essa tecnologia. Decidimos desenvolvê-lo no Brasil, em parceria com o IEAv, e agora vamos fazer um estudo de viabilidade econômica para implantá-lo em nossa fábrica”, diz Macedo. Todo o equipamento montado dos lasers produzidos e guiados por fibra óptica custa cerca de US$ 500 mil.

O primeiro diferencial do equipamento é a qualidade do feixe emitido, que possibilita um diâmetro focal (área iluminada pelo feixe) menor, elevando a intensidade da luz. “O aumento da intensidade permite soldar ou cortar materiais mais espessos com mais rapidez e qualidade. Como o diâmetro focal é menor, há menos perda de material durante o corte”, explica Riva. Outra característica importante desses lasers é a maior conversão de energia elétrica em energia luminosa. De cada quilowatt de potência elétrica consumida pela estação, é possível extrair 250 watts de potência luminosa, enquanto os lasers de Nd:YAG convertem apenas 50 watts e os de CO2, no máximo, 200 watts. A melhor eficiência energética tem reflexos positivos na redução do custo operacional.

MIGUEL BOYAYAN

Força do laser: estrutura de motor fraturada e microfuros em peça automotivaMIGUEL BOYAYAN

“Essas três características juntas – qualidade superior do feixe, melhor eficiência energética e redução de custos de manutenção – tornam os lasers a fibra de alta potência extremamente atrativos para aplicações em fábricas”, diz o físico Milton Sérgio Fernandes de Lima, pesquisador do Dedalo, responsável por vários projetos envolvendo o equipamento. “Os industriais têm percebido essas vantagens e os lasers a fibra estão substituindo os aparelhos tradicionais, principalmente os de Nd:YAG.”

Soldagem na Embraer
A instalação da estação de tratamento no Dedalo custou cerca de US$ 500 mil, sendo que a maior parte desses recursos (US$ 400 mil) veio da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep), do Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT), e do Fundo Setorial Aeronáutico. O restante saiu dos caixas do IEAv e do Instituto Fábrica do Milênio (IFM), rede virtual de pesquisa focada na indústria de manufatura da qual o instituto faz parte (leia sobre o IFM na edição 133 de Pesquisa Fapesp). O financiamento foi utilizado para aquisição do aparelho de laser a fibra óptica e demais componentes do sistema, além da implantação de uma cabine metálica à prova de vazamentos com 4 metros de comprimento por 4 de largura e 3 de altura, que permite a entrada de peças de até 2 metros de largura. A fabricante nacional de aviões Embraer também colabora com o projeto, no fornecimento de material e recursos humanos, e está sendo uma das grandes beneficiadas com as pesquisas feitas com o equipamento.

O interesse da Embraer no laboratório é facilmente explicável. “Hoje a tecnologia de soldagem a laser é cada vez mais empregada na construção de aeronaves, principalmente na parte estrutural, em substituição ao processo de rebitagem”, diz Lima. Esse processo usa os rebites, que são pequenas peças cilíndricas e metálicas semelhantes a parafusos, para unir duas placas metálicas. Um jato comercial de grande porte, como um Boeing 777, com capacidade para mais de 300 passageiros, possui por volta de 1,5 milhão de rebites que aumentam em 15% o peso de sua estrutura, além de o processo de rebitagem consumir 15% do tempo de fabricação da aeronave. Além disso, para fazer o rebite é preciso furar a fuselagem, gerando uma espécie de vulnerabilidade no jato. “Como o avião opera em temperaturas extremas, de -50°C a +50°C, a fuselagem pode sofrer corrosão em função do acúmulo de gelo e água nessas cavidades”, explica Lima. “Boeing, Airbus e Bombardier possuem acordos de cooperação com centros de pesquisa em lasers e as duas primeiras já empregam essa tecnologia na fabricação de seus jatos.”

O IEAv possui dois projetos em desenvolvimento com a Embraer. O principal deles é a soldagem de ligas de alumínio de alta resistência, que são usadas na estrutura das aeronaves. “Ensaiamos uma centena de corpos-de-prova de alumínio soldados com laser a fibra, que agora estão sendo testados na Embraer. Os resultados preliminares demonstraram que o equipamento produz soldas com excelente qualidade metalúrgica e muito poucos defeitos”, afirma Riva. O outro projeto utiliza o laser Nd:YAG e tem como objetivo a soldagem sem uso de chumbo de contatos elétricos da fiação utilizada nos aviões.

Esse projeto é vital para a Embraer porque vários países proibiram, em junho do ano passado, a entrada de componentes elétricos e eletrônicos que contenham chumbo e outras substâncias tóxicas ou difíceis de reciclar. “Para solucionar o impasse, desenvolvemos uma tecnologia que usa o laser de Nd:YAG como fonte de calor para a soldagem sem chumbo”, explica o pesquisador. “Os resultados até agora mostram que os contatos soldados em apenas alguns segundos apresentam altíssima resistência à fratura, sem comparação com os contatos crimpados, apertados por um alicate especial.”

Centro de ponta
Instalado às margens da rodovia dos Tamoios, que liga o Vale do Paraíba ao litoral norte paulista, o laboratório do IEAv, criado há apenas três anos, também está aparelhado com outros dois tipos de lasers, ambos projetados e construídos no instituto: um laser de CO2 pulsado de alta potência e um de vapor de cobre, além de mais cinco lasers de uso mais comum, três de Nd:YAG e dois de CO2 contínuos. Os equipamentos servem a vários projetos na área de manufatura. É o caso de um novo tratamento a laser de ferramentas de usinagem, que nasceu como uma necessidade industrial prospectada dentro da rede do IFM e rendeu o depósito de uma patente ao IEAv. “É um processo inovador de texturização a laser que aumenta o tempo de vida de brocas, fresas e outras ferramentas de usinagem”, destaca o engenheiro João Fernando Gomes de Oliveira, coordenador-geral do IFM.

No processo, um feixe de laser com pulsos curtos e alta energia promove a formação de nanocrateras na superfície da ferramenta. Como elas são normalmente recobertas com revestimentos à base de nitretos e carbonetos, o processo permite maior aderência dos revestimentos que ficam ancorados nos sulcos. Uma camada mais aderente confere maior tempo de vida às ferramentas – em alguns casos, a longevidade foi aumentada em dez vezes. O projeto utiliza o laser de vapor de cobre e foi desenvolvido pelo Dedalo em parceria com a Universidade Federal de Uberlândia e com a Universidade Estadual de Campinas. Envolve também um pool de empresas interessadas na tecnologia, formado pela Tupy Fundições, Sandvik (especializada na fabricação de ferramentas), Brasimet e Balzers (focadas em revestimentos e tratamentos de superfícies).

Outro projeto relevante na área de metalurgia envolve a companhia Thyssen Krupp Metalúrgica Campo Limpo, braço paulistano de um grupo multinacional que detém a liderança mundial na fabricação de virabrequins, eixos metálicos dos motores automotivos. O objetivo do projeto é realizar microtexturização a laser nesses componentes para reduzir o atrito entre as peças e o consequente desgaste. “Diversos métodos podem ser utilizados para realizar a microtexturização, como abrasão controlada, canhão de elétrons ou ataque químico. A texturização com laser é uma técnica recente e que tem apresentado bons resultados”, diz Lima.

Fibras e cristais
Para entender como funciona um laser, e as diferenças entre eles, é preciso saber que a geração de um feixe de luz se dá, normalmente, pela excitação dos átomos ou moléculas de um determinado meio ativo, composto por uma ou várias substâncias responsáveis pela emissão de radiação laser, pela fonte luminosa ou descarga elétrica. Os lasers de dióxido de carbono (CO2), por exemplo, são excitados por descargas elétricas e têm como meio ativo uma mistura de gases: nitrogênio, hélio e o CO2, responsável pela emissão do laser. Nos lasers de Nd:YAG o meio ativo é uma barra de cristal de YAG, um cristal sintético, constituído por óxido de ítrio e de alumínio, dopado (inserção de pequenas quantidades de elementos químicos em uma substância) com neodímio e excitado por uma fonte luminosa de uma lâmpada ou de diodos emissores de laser, dispositivos semelhantes e mais potentes que os usados em tocadores de CDs e DVDs. O laser a fibra óptica possui como meio ativo uma fibra de sílica dopada com itérbio, um elemento do grupo das terras-raras. Mais de uma centena de diodos emissores de lasers é utilizada como fonte de excitação da fibra.

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