A lacuna de absorção nos revestimentos modernos

No campo da Deposição Direcionada de Energia (DED) e do Revestimento a Laser, a indústria atingiu um impasse em termos de materiais. Embora as fontes infravermelhas (IR) padrão lidem com aço e titânio sem esforço, o aumento na procura por ligas de cobre e ouro — impulsionado pelos mercados de veículos elétricos e trocadores de calor aeroespaciais — expôs as limitações das fontes tradicionais de 1064 nm.

A física é implacável. A 1 µm (infravermelho), metais altamente refletivos como o cobre absorvem menos de 51 TP3T da energia incidente à temperatura ambiente. Para compensar, os operadores aumentam perigosamente a potência dos seus módulo laser de díodo, levando a turbulência excessiva na poça de fusão e a respingos. A solução que ganhará força em 2024 e 2025 não é apenas mais potência, mas uma mudança fundamental no comprimento de onda: o Azul Diodo laser acoplado a fibra.

A vantagem do comprimento de onda: azul vs. infravermelho

Para engenheiros que procuram um módulo laser de fibra, compreender a curva do coeficiente de absorção é fundamental.

$$A(\lambda) = 1 – R(\lambda)$$

Onde $A$ é a absorção e $R$ é a refletividade.

• IR (1064 nm) em cobre: $\aproximadamente 5\%$ Absorção.
• Azul (450 nm) sobre cobre: $\aproximadamente 65\%$ Absorção.

Utilizando um azul de alta potência díodo laser acoplado a fibra, os fabricantes podem iniciar a poça de fusão com uma fração da densidade de energia exigida pelos sistemas IR. Isso resulta numa soldadura estável e limitada pela condução, em vez de um modo caótico de fechadura.

Estudo de caso: A inovação da turbina de Cincinnati

Localização: Cincinnati, Ohio, EUA

Empresa: AeroBlade Dynamics (prestadora de serviços de manutenção, reparação e revisão de motores aeronáuticos)

Data: janeiro de 2024 – agosto de 2024

Assunto: A engenheira-chefe Sarah Jenkins e o desafio do “Inconel-Cobre”

Dinâmica AeroBlade especializa-se na reparação de pás de turbinas de alta pressão. Em 2023, garantiu um contrato para reparar câmaras de combustão de motores de foguetes feitas de uma liga proprietária de cobre-cromo-nióbio.

O problema:

A fibra IR de 4 kW existente sistema de módulo laser estava a falhar. Para derreter o cobre, eles tiveram que operar o laser na capacidade máxima de 90%. Essa alta intensidade fez com que o pó de cobre vaporizasse explosivamente antes de se estabilizar, levando a uma taxa de porosidade de 8% nas camadas de revestimento — inaceitável para equipamentos aeroespaciais.

A solução:

Sarah Jenkins liderou a integração de um sistema de módulo de laser de díodo híbrido. Esta configuração personalizada combinou:

1. Um azul de 2 kW (450 nm) acoplado por fibra díodo laser (para molhar a superfície).
2. Um díodo IR (976 nm) de 2 kW (para proporcionar aquecimento profundo em massa).

A implementação:

Os feixes foram combinados numa única fibra de entrega de 600 µm. A luz azul acoplou-se eficientemente à superfície de cobre, criando instantaneamente uma poça de fusão. A energia IR sustentou então a poça, permitindo uma deposição em alta velocidade.

O resultado (verificado em agosto de 2024):

1. Porosidade: Reduzido de 8% para <0,1% (partes totalmente densas).
2. Velocidade: A velocidade de revestimento aumentou em 300% (de 0,4 m/min para 1,2 m/min).
3. Eficiência: O consumo total de energia elétrica caiu 40% porque o processo se baseava na eficiência de absorção, em vez de força bruta.

“É como trocar uma marreta por um bisturi”, relatou Jenkins num artigo técnico apresentado na RAPID + TCT. “O díodo azul pré-aquece o caminho óptico, abrindo caminho para a energia infravermelha. Já não estamos a lutar contra a refletividade.”

Integração de módulos para sistemas híbridos

A construção de um sistema DED híbrido requer sofisticados módulo laser de díodo seleção. Não é possível simplesmente unir fibras.

1. Arquiteturas de combinação de feixes

Para misturar comprimentos de onda (por exemplo, 450 nm + 976 nm), é necessário um combinador de feixes dicróico dentro da caixa do módulo.

• Eficiência de transmissão: Módulos de alta qualidade atingem eficiência >98% na óptica do combinador.
• Arrefecimento: O próprio combinador absorve luz difusa e requer refrigeração ativa. Se o módulo laser de fibra sem monitorização interna da temperatura do combinador, a mudança térmica irá desalinhar os feixes.

2. Diâmetro do núcleo da fibra e densidade do feixe

Para revestimento, o “brilho” (potência por unidade de área/ângulo sólido) é menos crítico do que para corte, mas a uniformidade é fundamental.

$$Densidade de potência (E) = \frac{P}{\pi \cdot r^2}$$

Um acoplamento de fibra díodo laser com um núcleo de fibra retangular ou quadrado (Square Core Fiber) é cada vez mais preferido para revestimento. Um feixe circular sobrepõe-se excessivamente no centro durante a digitalização raster, causando acúmulo de calor. Um feixe quadrado fornece um “tapete” de calor perfeitamente uniforme, reduzindo a tensão residual na peça impressa.

3. Isolamento de reflexão traseira

Ao processar cobre com alta potência, a reflexão traseira é intensa. O módulo laser de díodo devem ser equipadas com revestimentos específicos nas lentes colimadoras para impedir que a luz de 450 nm retorne aos emissores de 976 nm e vice-versa. Os revestimentos antirreflexo (AR) padrão são insuficientes; revestimentos personalizados de banda dupla são obrigatórios.

Conclusão

O futuro da fabricação aditiva de metais reside na versatilidade dos materiais. A abordagem de “um laser para tudo” está obsoleta. Ao adotar comprimentos de onda específicos díodo laser acoplado a fibra tecnologia — especificamente sistemas híbridos Blue/IR — os fabricantes podem processar metais refletivos com a mesma facilidade que o aço. Para oficinas de MRO como Dinâmica AeroBlade, não se trata apenas de qualidade; trata-se de abrir novas fontes de receita nos setores espacial e de veículos elétricos.

O seu motor ótico está otimizado para os materiais do futuro ou ainda está a lutar contra a refletividade?