tecnologia de processamento de feixes de electrões

Os princípios, características e aplicações da tecnologia de processamento de feixes de electrões. Definição de processamento microfino de feixe de alta energia. O feixe de alta energia refere-se normalmente a um feixe com elevada densidade de energia, como o feixe laser, o feixe de electrões, o plasma e o feixe de iões. A tecnologia de processamento de feixes de alta energia refere-se à utilização de feixes de alta energia para o fabrico e processamento de materiais ou componentes, incluindo soldadura, fabrico aditivo e engenharia de superfícies. A tecnologia de processamento de feixes microfinos de alta energia é uma técnica avançada de microfabricação que utiliza feixes de alta energia para induzir o aquecimento, a fusão, a vaporização, o plasma e outros fenómenos físicos nos materiais, alcançando objectivos como a remoção, união, crescimento e modificação de materiais. Devido à capacidade de os feixes de alta energia serem focados num tamanho extremamente pequeno, com diâmetros de feixe que variam entre 100 nm e 0,1 μm, e alcançando uma precisão de processamento ao nível nanométrico, é um método de processamento ultrafino.

Tecnologia de processamento de feixes de electrões

1. Princípios do processamento de feixes de electrões.

O processamento de feixes de electrões refere-se à emissão de um feixe de electrões a partir de um cátodo aquecido em condições de vácuo. O feixe de electrões com carga negativa voa em direção ao ânodo, acelera através de um elétrodo de aceleração e é focado por lentes electromagnéticas. Isto resulta numa densidade de energia altamente concentrada, com a energia concentrada em pontos com diâmetros que variam entre 0,1 e 10 μm, atingindo densidades de energia de 10^6 a 10^9 W/cm². O impacto a alta velocidade na superfície da peça de trabalho converte uma grande parte da energia em calor num espaço de tempo extremamente curto, elevando a temperatura do material impactado a milhares de graus Celsius, provocando a sua fusão e vaporização. O material residual gerado durante o impacto é evacuado pelo sistema de vácuo.

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1.1 Princípio do processamento por feixe de electrões.

A figura 1.2 ilustra várias técnicas de processamento que utilizam os efeitos térmicos dos feixes de electrões. A Figura 1.2(a) indica que, quando irradiado com baixa densidade de potência, a temperatura de saturação da parte central do feixe de electrões é próxima da temperatura de fusão. Neste ponto, a evaporação é lenta e o poço de fusão é grande, tornando-o adequado para o tratamento de superfícies por feixe de electrões para melhorar a dureza e a resistência da superfície. A Figura 1.2 (b) refere-se ao fenómeno de fusão, vaporização e evaporação quando irradiado com uma densidade de potência média. Se o material for transparente, podem ser observadas algumas estruturas semelhantes a bolhas, que solidificam no seu estado original após a irradiação. A irradiação com densidade de potência média pode ser utilizada para a soldadura por feixe de electrões. A figura 1.2 (c) refere-se ao princípio da perfuração por feixe de electrões quando irradiado com alta densidade de potência. A temperatura de saturação da parte central do feixe de electrões excede em muito a temperatura de vaporização. Devido à pressão no interior das bolhas ser superior à tensão superficial da camada fundida, o material é expulso da entrada do feixe de electrões e processado eficazmente na direção da profundidade. Este é o princípio da perfuração por feixe de electrões. Para materiais metálicos em geral, é necessária uma densidade de potência de 10^6 a 10^9 W/cm². Para além da perfuração e do entalhe, os feixes de electrões de elevada densidade de potência podem também ser utilizados para o fabrico de componentes de película fina em circuitos integrados, utilizando a evaporação para obter películas de deposição de elevada pureza.

1.2 Processamento com feixes de electrões.

2. Características e aplicações do processamento de feixes de electrões.

1. Os feixes de electrões têm um diâmetro pequeno. Os feixes de electrões podem ser focados até um tamanho muito pequeno, com um diâmetro que pode mesmo ser focado até 0,01 μm. O comprimento do feixe de electrões pode ser dezenas de vezes superior ao diâmetro, o que o torna adequado para maquinagem de furos profundos e maquinagem microfina.
2. Os feixes de electrões têm uma elevada densidade de energia. Quando o feixe de electrões é focado num ponto com um diâmetro de vários micrómetros, a densidade de energia pode atingir 10^9 W/cm², suficiente para fundir e vaporizar qualquer material.
3. Elevada eficiência de produção. Devido à elevada densidade de energia e à eficiência de utilização de energia dos feixes de electrões, o tempo de processamento de peças de diferentes materiais e tamanhos de orifícios é geralmente de apenas algumas dezenas de segundos, mesmo para peças com uma espessura de cerca de 5 mm.
4. Vasta gama de materiais para processamento. O processamento por feixe de electrões depende de efeitos térmicos e químicos. A gama de influência térmica pode ser muito pequena e o processamento é efectuado em condições de vácuo, garantindo uma elevada pureza química no local de processamento. Por conseguinte, é adequado para o processamento de vários metais duros, frágeis, dúcteis e materiais não metálicos, materiais sensíveis ao calor, metais e ligas oxidáveis, materiais semicondutores de alta pureza, etc.
5. Deformação mínima da peça de trabalho. O processamento por feixe de electrões é um método de maquinação sem contacto. Durante o processamento, não existe uma força de corte mecânica óbvia entre a ferramenta e a peça de trabalho, resultando numa tensão e deformação macroscópicas mínimas. É adequado para o processamento de peças facilmente deformáveis.
6. Fácil automatização. Os feixes de electrões podem ser controlados com rapidez e precisão em termos de intensidade, diâmetro do feixe e posição através de campos magnéticos ou eléctricos, permitindo um elevado grau de automatização. É adequado para processar furos circulares, furos irregulares, furos cegos, furos cónicos e estruturas tridimensionais complexas.

As aplicações da tecnologia de processamento por feixe de electrões são diversas e incluem.

1. Soldadura por feixe de electrões: Os feixes de electrões podem ser utilizados para a soldadura de alta precisão de vários materiais, incluindo metais, ligas e materiais diferentes. É amplamente utilizado em indústrias como a automóvel, a aeroespacial e a eletrónica.
2. Perfuração por feixe de electrões: Os feixes de electrões podem fazer furos precisos em materiais, incluindo metais, cerâmicas e semicondutores. É utilizado em aplicações como bicos de injeção de combustível, orifícios de arrefecimento em pás de turbinas e dispositivos microfluídicos.
3. Tratamento de superfícies por feixe de electrões: Os feixes de electrões podem modificar as propriedades da superfície dos materiais, tais como melhorar a dureza, a resistência ao desgaste ou a resistência à corrosão. É utilizado em aplicações como o fabrico de ferramentas e moldes, o endurecimento de superfícies de componentes e a deposição de revestimentos.
4. Fabrico aditivo por feixe de electrões (EBAM): Os feixes de electrões podem ser utilizados em processos de fabrico aditivo para fundir e solidificar pós metálicos camada a camada, criando estruturas tridimensionais complexas. O EBAM é utilizado para prototipagem rápida, produção de componentes personalizados e nas indústrias aeroespacial e médica.
5. Litografia por feixe de electrões: Os feixes de electrões podem ser utilizados na nanolitografia para criar padrões e estruturas em bolachas de semicondutores ou outros substratos com elevada precisão. Trata-se de uma tecnologia fundamental no fabrico de semicondutores e na investigação em nanotecnologia.
6. Maquinação por feixe de electrões: Os feixes de electrões podem ser utilizados para maquinação de precisão de materiais, como corte, ranhura e modelação. É utilizado em aplicações que exigem elevada precisão e detalhes finos, como a microeletrónica e a micro-ótica.

Vantagens:

1. Elevada precisão: A tecnologia de processamento de feixes microfinos de alta energia pode atingir uma precisão de processamento ao nível nanométrico, permitindo o fabrico de estruturas e características complexas.
2. Pequena zona afetada pelo calor: A natureza focada dos feixes de alta energia permite um aquecimento localizado e uma difusão térmica mínima, reduzindo a zona afetada pelo calor e minimizando a distorção ou danos no material.
3. Versatilidade: O processamento de feixes microfinos de alta energia pode ser aplicado a uma vasta gama de materiais, incluindo metais, cerâmicas, semicondutores e polímeros.
4. Processamento sem contacto: A natureza sem contacto do processamento por feixe de alta energia minimiza o desgaste da ferramenta e permite o processamento de materiais delicados ou frágeis.
5. Elevada velocidade de processamento: Os feixes de alta energia podem fornecer uma grande quantidade de energia à peça de trabalho num curto espaço de tempo, resultando em velocidades de processamento rápidas e numa elevada eficiência de produção.

Limitações:

1. Complexidade e custo do equipamento: O equipamento necessário para o processamento de microfinas por feixes de alta energia pode ser complexo e dispendioso, tornando-o menos acessível para operações de pequena escala.
2. Considerações de segurança: Os feixes de alta energia podem representar riscos de segurança, exigindo medidas de segurança adequadas e ambientes controlados para garantir a segurança do operador e do equipamento.
3. Profundidade de processamento limitada: A profundidade de processamento no processamento de feixes microfinos de alta energia é normalmente limitada devido às características de absorção de energia dos materiais, o que pode restringir a aplicabilidade a determinadas aplicações.
4. Limitações dos materiais: Embora o processamento de feixes microfinos de alta energia possa ser aplicado a uma vasta gama de materiais, a eficácia e a viabilidade podem variar em função das propriedades e características específicas do material.

Em geral, a tecnologia de processamento de feixes microfinos de alta energia, como o processamento de feixes de electrões, oferece um método poderoso e preciso para o fabrico e processamento de materiais com aplicações em várias indústrias. A sua capacidade de processamento à microescala e à nanoescala abre novas possibilidades de fabrico avançado, miniaturização e aplicações de alta precisão.