CARACTERIZAÇÃO ÓPTICA ESTRUTURAL DE SUPERFÍCIES GERADAS EM POLÍMERO ÓPTICO (PMMA) ATRAVÉS DE TORNEAMENTO COM FERRAMENTA DE DIAMANTE MONOCRISTALINO

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1 CARACTERIZAÇÃO ÓPTICA ESTRUTURAL DE SUPERFÍCIES GERADAS EM POLÍMERO CARACTERIZAÇÃO ÓPTICA ESTRUTURAL DE SUPERFÍCIES GERADAS EM POLÍMERO ÓPTICO (PMMA) ATRAVÉS DE TORNEAMENTO COM FERRAMENTA DE DIAMANTE MONOCRISTALINO René Mendes Granado Robson Alves de Oliveira Renato Goulart Jasinevicius Laboratório de Engenharia de Precisão, Departamento de Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, Av. Trabalhador São-carlense, 400, CEP , São Carlos, SP Resumo Este trabalho apresenta os resultados de estudo experimental para a avaliação da integridade superficial do polimetilmetacrilato (PMMA), através da usinagem com ferramenta de diamante monocristalino. A operação usada nos testes foi torneamento de face. Avanço e profundidade de usinagem foram variados. Duas ferramentas com raios de ponta diferentes foram utilizadas nos ensaios de corte e os melhores resultados em relação à rugosidade superficial foram obtidos com a ferramenta cujo raio de ponta é menor. Detalhes da superfície gerada, tais como danos e fidelidade do perfil da aresta da ferramenta, foram avaliados através de Microscopia Eletrônica de Varredura. Cavacos do tipo contínuo evidenciam que a operação foi realizada em regime dúctil. Os valores de transmitância medidos nos comprimentos de onda de 600 e 900 nm foram comparados com resultados relatados na literatura para lentes de PMMA fabricadas pelo processo de injeção, demonstrando serem bastante próximos. Palavras-chave: polimetilmetacrilato, ferramenta de diamante monocristalino, torneamento de ultraprecisão, transição dúctil frágil. Introdução O uso da usinagem de ultraprecisão na fabricação de componentes produzidos a partir de materiais poliméricos tem sido objeto de muitas pesquisas. A aplicação de polímeros ópticos pode ser observada em diferentes segmentos, desde componentes ópticos a dispositivos eletrônicos, e sua produção está intimamente relacionada à fabricação de micros componentes através de técnicas de replicação, em que a reprodução em larga escala de microestruturas e microlentes pode ser viabilizada por meio dos processos de microinjeção ou termoformagem. Em conseqüência da alta precisão dimensional e excelente qualidade superficial exigida, os componentes poliméricos para essas finalidades também podem ser produzidos pelo processo de acabamento por usinagem com ferramenta de diamante monocristalino. Em muitos casos, o processo de usinagem é economicamente viável na fabricação de componentes poliméricos, por conta da complexidade da geometria, e/ou são produzidos em baixa escala. Para Carr & Feger (1993), os processos tradicionalmente usados para a produção de componentes poliméricos não oferecem a precisão exigida para essas novas aplicações. O torneamento com ferramenta de diamante monocristalino de ponta única possibilita a fabricação de componentes com geometrias complexas, dimensões micrométricas, precisão e acabamento final sem necessidade de outra operação. As pesquisas em usinagem têm sido direcionadas para as condições de corte e geometria da ferramenta, ideais para cada tipo de material, visto que as condições reológicas de cada polímero terão influência fundamental no mecanismo de formação do cavaco e superfície final desejada (Saito, 1981). Normalmente espera-se que uma baixa velocidade de corte e um raio de ponta grande produzam pequena rugosidade. Isso é comum no caso de corte de metais (Ávila et al., 2003). Entretanto, é importante mencionar que na usinagem de ultraprecisão as propriedades e a microestrutura do material têm influência na superfície final (Jasinevicius et al., 2003). Não é diferente no caso de materiais poliméricos e, de acordo com Ávila et al. (2003), durante a usinagem de um polímero, também as propriedades do material exercem importante influência na qualidade final. O polimetilmetacrilato é usado aproximadamente em dois terços de todos os componentes ópticos. Boa estabilidade óptica, fácil usinabilidade, dureza e resistência

2 106 GRANADO, OLIVEIRA & JASINEVICIUS a intempéries são algumas das características desse material. Esse polímero apresenta transparência igual à de finos vidros ópticos, tendo transmitância em torno de 92% e índice de refração de 1,49 (Bauer et al., 2000). De acordo com pesquisas realizadas na usinagem de materiais poliméricos por Xiao & Zhang (2002), a qualidade e a precisão da superfície final do material são afetadas pela presença de irregularidades, como: rugosidade excessiva, trincas, marcas da ferramenta e queima da superfície. Isso ocorre como resultado das características de corte, geometria da ferramenta e propriedades do material. Em razão da severidade dos danos originados na usinagem de materiais poliméricos, alguns procedimentos devem ser cuidadosamente aplicados para garantir resultados aceitáveis, como: velocidade de corte, profundidade de usinagem, velocidade de avanço e geometria da ferramenta. A caracterização das amostras usinadas teve por objetivo estabelecer parâmetros que permitam verificar a qualidade óptica obtida no torneamento de ultraprecisão com ferramenta de diamante monocristalino, comparada a lentes injetadas em PMMA. Materiais e Métodos Polimetilmetacrilato (PMMA) foi usado como material de teste. As amostras obtidas de uma barra com 16 mm de diâmetro foram cortadas na espessura de 5 mm, pré-usinadas em torno convencional. Posteriormente, foram polidas para eliminar distorções do faceamento inicial e deixar as superfícies regulares. As amostras foram montadas em um dispositivo especial fabricado em alumínio (Figura 1) e fixadas lateralmente por parafusos allen sem cabeça. Esse dispositivo permite usinar quatro peças por vez, tendo por vantagem a eliminação das marcas da ferramenta no centro das amostras, uma vez que as peças são fixadas fora do centro. A direção de corte foi no sentido axial (da borda para o centro), e as amostras foram faceadas em ambos os lados. Cuidado especial foi tomado para que, quando a peça fosse colocada no dispositivo para ser usinada, a segunda face estivesse posicionada de tal forma que as marcas deixadas pela ferramenta na primeira face ficassem o mais coincidente possível com as marcas da ferramenta decorrentes da usinagem na segunda face. A medida visa minimizar a interferência das marcas da ferramenta na medição da transmitância. As condições de usinagem e geometria da ferramenta aplicadas nos ensaios estão descritas na Tabela 1. A velocidade de corte de 50,26 m/min foi mantida constante. Tabela 1 Parâmetros de corte e geometria da ferramenta. Parâmetros Valores Avanço f (µm/rev) 5, 10, 15 e 20 Profundidade de usinagem ap (µm) 4 e 10 Rotação n (rpm) 1000 Raio de ponta r ε (mm) 2 e 4 Ângulo de saída γ ( ) 5 Ângulo de folga α ( ) 0 Uma máquina geradora de superfícies anesféricas, marca Rank Pneumo, modelo ASG 2500, equipada com comando numérico, marca Alen-Bradley, modelo 8200, foi usada para faceamento das amostras. A temperatura ambiente foi mantida em 21 ± 0,1 C. Foi usado óleo sintético solúvel em água com função de lubrificar e refrigerar, direcionado em forma de névoa sobre a peça/ferramenta (MQF < 60 ml/h). A morfologia dos cavacos e a topografia das superfícies foram avaliadas em um microscópio eletrônico de varredura (MEV), marca Zeiss, modelo DSM 960, operado com potência de 20 kw. Ø16,1 Ø10 Ø3,7 R16 7 4X M3 2 Ø55 Ø Figura 1 (a) Dispositivo especial para usinagem das amostras. (b) Montagem do dispositivo na placa.

3 CARACTERIZAÇÃO ÓPTICA ESTRUTURAL DE SUPERFÍCIES GERADAS EM POLÍMERO O índice de refração foi medido em um refratômetro, marca Karl Zeiss, e a transmitância nos comprimentos de onda de 600 e 900 nm foi medida em um espectofotômetro usando o programa Fast Espectômetro Ocean Optics. A rugosidade superficial das superfícies usinadas foi analisada no perfilômetro óptico, marca Taylor Hobson, modelo CCI representam a média da rugosidade das quatro amostras usinadas simultaneamente. Resultados Influência do avanço (f) A Tabela 2 apresenta os valores da rugosidade (R t e R a ) em função da variação do avanço. Foi considerada a média da rugosidade de cada face, relativa às quatro amostras usinadas simultaneamente, conforme montagem no dispositivo mostrado na Figura 1a. Tabela 2 Influência do avanço sobre a rugosidade superficial. Avanço (µm/rev) R t (nm) R a (nm) Direção do corte 5µm 5 360,8 35, ,2 34, ,8 64, ,2 55,6 Como mencionado em Ávila et al. (2003) e Smith (1989), a rugosidade aumenta com o aumento do avanço. Foi constatada variação significativa (8,9 nm) quando foram utilizados os avanços de 15 e 20 µm/rev. Os valores de rugosidade para avanços de 5 e 10 µm/rev apresentaram uma variação de R a = 0,9 nm, que pode ser considerada desprezível, sendo que com f = 10 µm/rev foi obtido melhor índice de rugosidade. Essas variações podem ser atribuídas a pequenos danos na superfície, como microtrincas geradas durante a usinagem. As microfraturas são decorrentes das irregularidades estruturais do material usado no teste, provocadas por tensões internas, conseqüência do processo de fabricação do material de teste. A Figura 2 apresenta uma micrografia feita através de MEV da superfície gerada com f = 10 µm/ver, ap = 10 ìm e r å = 2 mm. Pode-se observar a presença de microfraturas ao longo da ranhura gerada pelo avanço da ferramenta, pois não há indícios de imperfeições da aresta gerando rugosidade secundária na superfície. Influência da profundidade de usinagem (ap) Para avaliar a influência da profundidade de usinagem foi usado f = 10 µm/rev e r å = 2 mm, pois, além de ter apresentado valores similares de rugosidade R a em relação ao avanço de 5 µm/rev, conforme mostrado na Tabela 2, a taxa de remoção de material é maior. Os valores da Tabela 3 indicam que os ensaios com ap = 10 ìm apresentaram melhores resultados de rugosidade (R t e R a ). Esses valores Figura 2 Imagem feita através de MEV mostrando pequenos danos gerados no interior da ranhura durante o corte (ampliação 3000x). Amostra usinada com f = 10 µm/rev, ap = 10 µm, ã = 5 e r å = 2 mm. Em pesquisas realizadas por Kobayashi (1967) e Roy & Basu (1977), na usinagem de polímeros termoplásticos, os autores constataram que a profundidade de usinagem não exerce influência significativa na rugosidade obtida. Nos ensaios, os menores valores de rugosidade (R t e R a ) foram conseguidos com o maior valor de profundidade de usinagem (ap = 10 ìm). Como foram usados profundidades de usinagem e avanços muito pequenos, supõe-se que essas condições também possam ter provocado o mecanismo de remoção denominado ploughing (sulcamento), que ocasionou diferença significativa (R a = 12,6 nm) nos valores das rugosidades em relação às profun didades de usinagem aplicadas (Granado, 2006). Tabela 3 Influência da profundidade de usinagem sobre a rugosidade superficial. Profundidade de usinagem (µm) R t (nm) R a (nm) 4 436,8 47, ,2 34,5 Influência do raio de ponta (r å ) Em função dos resultados obtidos nos testes anteriores em relação à rugosidade superficial, foram usados avanço = 10 µm/rev e ap = 10 µm como a melhor condição de corte para analisar a influência da geometria da ferramenta. A Tabela 4 apresenta os valores de rugosidade em função da variação do raio de ponta da ferramenta.

4 108 GRANADO, OLIVEIRA & JASINEVICIUS Esperava-se que a rugosidade fosse menor para raios de ponta maiores, o que não ocorreu, pois, de acordo com Grabchenko et al. (2001), um raio de ponta maior tende a piorar a deformação do material e o processo de formação do cavaco, como conseqüência do fato de a área de contato entre ferramenta e peça ser maior. Além disso, considera-se que, em relação a polímeros, essa inversão está possivelmente relacionada ao valor do ângulo de folga, como ocorre com a usinagem de ultraprecisão de metais, em que normalmente é usado ângulo de folga de 12, para evitar o contato da superfície de folga da ferramenta com a superfície gerada. Os teste foram realizados com ângulo de folga de 0. Tabela 4 Influência do raio de ponta sobre a rugosidade superficial. N Raio da ponta (mm) R a (nm) R t (nm) , , , Análise da superfície Como o objetivo é comparar as propriedades ópticas (transmitância e índice de refração) da peça usinada com ferramenta de diamante monocristalino em relação aos resultados obtidos através do processo de moldagem por injeção (Bauer et al.,2000, Kloger, 1999; Jenoptick, 2006), foi analisada a superfície usinada com f = 10 μm/rev e ap = 10 μm, em que a homogeneidade de tons de cinza da Figura 3 caracteriza pouca influência das condições de usinagem em possíveis desvios decorrentes de ondulações na superfície, evidenciando que a usinagem foi realizada em regime dúctil. Segundo Smith (1989), esse regime de corte ocorre quando a temperatura de transição vítrea (Tg) do polímero é superior à temperatura na zona de corte. Polímeros termoplásticos (amorfos), à temperatura ambiente, comportam-se como materiais frágeis, entretanto, o calor intrínseco do corte (atrito ferramenta/peça e deformação do material devido ao cisalhamento) altera essa condição para um regime dúctil, em que boa superfície final pode ser obtida. A superfície está bem caracterizada pelas marcas do avanço da ferramenta. Na avaliação da integridade superficial das amostras usinadas, os melhores índices foram obtidos com ferramenta de raio de ponta 2 mm, em que a rugosidade R a foi de 29,8 nm, referente à amostra n o 1 da Tabela 4, cujo perfil é mostrado na Figura 4. Nas amostras usinadas com ferramenta de raio de ponta de 4 mm, o valor da rugosidade foi de 86 nm, contrário à literatura, em que Ávila et al. (2003) e Kogler (1999) citam que o aumento do raio tende a diminuir a rugosidade. Diferentemente de materiais metálicos, na usinagem de materiais poliméricos as propriedades químicas e reológicas (temperatura de transição vítrea, temperatura de fusão cristalina, peso molecular, viscosidade e taxa de relaxação) influenciam a integridade superficial e a precisão final (Carr & Feger, 1993), podendo, portanto, estar relacionadas com o valor obtido µm µm Figura 3 Espectro da superfície obtido por meio do perfilômetro Talysurf, modelo CCI Amostra n o 1 da Tabela 4, usinada com f = 10 μm/rev, ap = 10 μm, ã = 5 e r å = 2 mm. µm NM µm Comprimento = 468 µm Pt = 360 nm Escala = 1000 nm µm Figura 4 Perfil obtido no perfilômetro Talysurf, modelo CCI 3000, com R a = 29,8 nm. Amostra n o 1 da Tabela 4, usinada com f = 10 μm/rev, ap = 10 μm, ã = 5 e r å = 2 mm.

5 CARACTERIZAÇÃO ÓPTICA ESTRUTURAL DE SUPERFÍCIES GERADAS EM POLÍMERO Análise do cavaco O mecanismo de formação do cavaco é de fundamental importância, pois mostra as propriedades do material com relação à integridade superficial, usinabilidade e características de usinagem. As Figuras 5a e 5b apresentam a imagem da microscopia eletrônica de varredura do cavaco em regime dúctil. Os cavacos formados foram do tipo contínuo, que, de acordo com Carr & Feger (1993), são produzidos quando o ângulo de saída é neutro, indicando remoção relativamente fácil do material. Segundo Saito (1981), esse tipo de cavaco é produzido no plano de cisalhamento gerado acima da ponta da ferramenta e é constituído de pequenas lamelas justapostas, resultado da ação de corte. Isso significa que a deformação plástica predominou e praticamente nenhuma fratura foi gerada nesse regime. Observou-se durante a usinagem que os cavacos curvaram-se na direção anti-horária, resultado do fato de a força de cisalhamento ser superior à tensão de ruptura do material (Xiao & Zhang, 2002). Outra característica desse tipo de corte é a existência de marcas de cisalhamento ao longo da superfície do cavaco e a espessura deste ser geralmente maior que a profundidade de corte. Esse tipo de cavaco é similar ao produzido no torneamento de ultraprecisão de metais não ferrosos (Jasinevicius et al., 2003). Conclusões A transmitância obtida em comprimentos de onda entre 600 e 900 nm variou entre 91 e 92% na amostra que apresentou rugosidade R a de 29,8 nm, demonstrando que esse resultado está bem próximo aos índices encontrados na literatura (Bauer et al., 2000; Kloger, 1999; Jenoptick, 2006). Valores menores de transmitância foram encontrados em amostras com presença mais acentuada de marcas da ferramenta, provavelmente em razão das imperfeições do material e/ou planicidade. O índice de refração foi de Embora a rugosidade real tenha sido superior à teórica, este estudo demonstra a viabilidade do processo de usinagem do PMMA para fins ópticos com ferramenta de diamante monocristalino com ponta única. Deve-se ressaltar que no PMMA, por possuir estrutura amorfa, o estado de tensão gerado pelo corte tende a formar pequenos danos na superfície usinada. Assim, chega-se a um contraponto interessante: de um lado, a remoção do cavaco ocorre no regime dúctil e, por outro, a geração da superfície ocorre com mecanismo dúctil e frágil simultaneamente. Deve-se, entanto, ressaltar que o aparecimento dessas trincas e sulcos ocorre não necessariamente por conta da fragilidade do material, como no caso de materiais frágeis, mas devido a um processo complexo envolvendo temperatura, condições de corte e geometria da ferramenta. Menores valores de rugosidade superficial em relação aos obtidos podem ser conseguidos com estudos direcionados aos parâmetros de corte e geometria da ferramenta, além da qualidade do material utilizado, que apresentou grande influência sobre os resultados de caracterização óptica. Todavia, isso será investigado em futuros trabalhos. (a) (b) Agradecimentos Os autores agradecem a Taylor Hobson do Brasil Ltda., em especial ao Eng. Marcelo Bulhões Montagnani, pelo auxílio nos ensaios de perfilometria óptica. (c) Figura 5 Comparação da microfotografia dos cavacos usinados com f = 10 µm/rev, ap = 10 µm, r å = 2 mm e ã = 5. (a) Cavaco tipo contínuo de PMMA (200x). (b) Lamelas formadas na parte superior do cavaco de PMMA (10000x). (c) Cavaco tipo contínuo de Al-Mg (200x). (d) Lamelas formadas na parte superior do cavaco de Al-Mg (10000x). (d) Referências Bibliográficas AVILA, M.; MISRA, D.; SHEFELBINE, W.; O REILLY, E. Surface quality in machining foldable acrylic-based intra ocular lenses. Berkeley, California: Dept. Mechanical Engineering, University of California, BAUER, T.; MÜLLER, W.; PETZOLD, S. Optik aus Kunststoff: Möglichkeiten und Grezen. Berlin: Jahrbuch für Optik und Feinmechanik, Verlag Schiele & Schön, p CARR, J.; FEGER, C. Ultraprecision machining of polymers. Precision Engineering, v. 4, p , Out GRABCHENKO, A. I.; VEREZUB, N. V.; FEREROV, A. A.; GETMANOV, A. A.; HORVATH, M.; MAMALIS, A. G. Precision machining of optical products made from polymeric materials. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v. 17, p , 2001.

6 110 GRANADO, OLIVEIRA & JASINEVICIUS GRANADO, R. M. Avaliação da integridade superficial do polimetimetacrilato (PMMA) no torneamento com ferramenta de diamante f. Dissertação (Mestrado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. JASINEVICIUS, R. G.; de CAMPOS, G. P.; MONTANARI, L.; TSUKAMOTO, R.; GARCIA, J. P.; CAMARGO, R.; DUDUCH, J. G.; PORTO, A. J. V. Influence of mechanical and metallurgical state of an AL-Mg alloy on the surface integrity in ultraprecision machining. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Science, v. 25, n. 3, p , Jul JENOPTICK Polymer Systens GmbH. Disponível em < Acesso em: 16 jul KOBAYASHI, A. Machining of plastics. New York: MacGraw-Hill, KOGLER, K. Selection of plastics for optical applications. Advanced Materiais and Processes Technology, v. 3, n. 2, ROY, P. K.; BASU, S. K. Evaluation of processing factors on turning of thermoplastics. Polymer Engineering and Science, v. 17, n. 10, p SAITO, K. Fracture phenomena of high polymers in cutting. Journal of Macromolecular Science, Part B, v.19, n. 3, p , SMITH, E. F. Single-point diamond turning of amorphous thermoplastic polymers f. Thesis (M.S.) Departament of Materiais Science and Engineering, North Carolina State University, North Carolina. XIAO, K.Q.; ZHANG, L. C. The role of viscous deformation in the machining of polymers. International Journal of Mechanical Sciences, v. 44, p , Nov