Design do nozzle coaxial

De um modo geral, um nozzle coaxial contínuo é caracterizado por canais de fluxo de pó e gás inerte coaxiais e focados num ponto genérico comum com o feixe de laser, cuja interação leva à fusão do material de injeção e deposição.

Peng et al., para a General Electric Company, patentearam um nozzle coaxial composto por canais para a fonte térmica, pó, gás inerte e refrigeração (Figura 5.1ª). Este nozzle não se encontra limitado apenas a aplicações de feixe de laser. Além de um feixe de laser também se pode recorrer a um feixe de eletrões ou arco elétrico. Existem quatro canais de condução do pó independentes, distribuídos simetricamente e localizados, pelo menos, parcialmente no interior do corpo principal. A independência dos quatros canais permite depositar pós diferentes entre si. Os canais para a fonte térmica e pó encontram-se apontados para um ponto de convergência comum. Relativamente aos canais de gás inerte, o nozzle é caracterizado por um canal de gás que se encontra ligado ao canal de fonte térmica para proteção das lentes óticas contra a entrada de materiais e por outros canais que protegem diretamente a zona de processamento. A estrutura permite um movimento axial variando a distância do nozzle à zona de processamento sem variar a posição do ponto focal da fonte térmica [86]. Das patentes apresentadas, este nozzle é o único coaxial descontínuo.

Buongiorno, para a Chromalloy Gas Turbine Corporation, desenvolveu uma patente cujo cone coaxial do nozzle é removível e com uma abertura central para o feixe de laser e fluxo de pó (Figura 5.1b). O nozzle é também composto por diversas aberturas axiais em redor do eixo central, por onde o gás inerte flui protegendo o banho de fusão contra a oxidação e evitando a dispersão do pó à saída. O gás inerte também serve como refrigerante do nozzle. O facto de ser constituído por pares de roscas permite o deslocamento vertical rápido e preciso [87].

Nowotny e Scharek apresentaram um design de um nozzle que permite depositar um fluxo de pó turbulento com flutuações inferiores a 5%, de geometria cónica e cujo diâmetro do fluxo de pó corresponde aproximadamente ao diâmetro do feixe de laser na superfície da peça (Figura 5.1c). Assim, atinge-se uma eficiência de utilização de pó elevada. O nozzle é constituído por canais de refrigeração cujo líquido é, preferencialmente, água. Este também possui um par de roscas que permite regular a altura do nozzle relativamente à zona de processamento sem alterar a posição do ponto focal do laser [88].

Sato e Ishikawa apresentaram uma patente, aplicada pela Toyota, de um nozzle montado coaxialmente a uma cabeça de processamento de laser (Figura 5.1d). A patente trata de uma estrutura que inclui um anel onde o pó é mantido. Quatro entradas são responsáveis pelo transporte de pó até o anel. A esta estrutura é conectado um cone constituído por múltiplas passagens, responsáveis pela descarga do pó mantido pelo anel até à saída [89].

Hu desenvolveu uma patente de um nozzle coaxial representado na Figura 5.1e. O pó viaja por uma passagem coaxial com o feixe de laser. Também uma passagem circunscrita para gás inerte ou similar é coincidentemente coaxial tanto com o feixe de laser quanto com o fluxo de pó. Um líquido de refrigeração circula no interior do corpo principal com o objetivo de arrefecer a estrutura completa. O nozzle permite ajustar a distância do feixe de laser à peça e o fluxo de pó de acordo com as condições operacionais. Uma cobertura de proteção porosa impede a contaminação do canal de fluxo de gás inerte. Segundo Hu, o nozzle é facilmente construído a partir de materiais comuns e desmontável para limpeza [90].

a) Peng et al. [86] b) Buongiorno [87] c) Nowotny e Scharek [88]

d) Sato e Ishikawa [89] e) Hu [90] f) Guo [91]

Guo, para a Honeywell International Inc., apresentou uma patente de uma invenção de um nozzle coaxial compacto com uma forma geométrica cónica, terminando numa ponta relativamente pequena (Figura 5.1f). O nozzle inclui uma abertura central para o feixe de laser, uma câmara de mistura de pó com uma descarga coaxial e canais de gás inerte, ambos coaxiais com o feixe de laser, e canais de refrigeração [91].

Freneaux et al., para a Électricité de Strasbourg S.A. e o Institut Regional de Promotion de la Recherche Appliquee, apresentaram uma patente de um nozzle essencialmente constituído por um corpo principal com uma passagem cónica e por um cone de injeção coaxial (Figura 5.2). O espaço entre ambos, guia o fluxo de pó com um gás de suspensão convergindo na direção da saída do nozzle coaxialmente com o feixe de laser. Adicionalmente, um segundo cone de injeção coaxial de gás de confinamento ajuda no foco do fluxo de pó e limita a sua dispersão. A estrutura principal também possui canais de refrigeração [92].

A patente de Freneaux et al. também dispõe de um conjunto de parâmetros geométricos ideais das estruturas cónicas: 𝛼, 𝐷 e 𝑙, onde 𝛼 corresponde ao semiângulo do cone de injeção, 𝐷 ao diâmetro médio do anel de injeção e 𝑙 à largura do referido anel. Segundo o documento, o parâmetro 𝛼 pode ser compreendido entre os valores de 15 a 20º, o parâmetro 𝐷 entre 4 a 10 mm e o parâmetro 𝑙 entre 0.5 e 2 mm. No entanto, Freneaux et al. definiram valores preferenciais a adotar: 17º, 7 mm e 0.8 mm, respetivamente. O gás de suspensão do pó é preferencialmente inerte, tal como hélio ou árgon, cujo fluxo volumétrico é compreendido entre 1.5×10-5 _{e 35×10}-5 _m3_{/s, sendo função do material a injetar [92].}

Figura 5.2: Representação do nozzle coaxial contínuo de Freneaux et al. [92].

A generalidade das patentes assinaladas é constituída por componentes cónicos. Essencialmente, estes nozzles são constituídos por dois componentes cónicos coaxiais com o feixe de laser, cujo espaço entre si permite guiar o fluxo de pó com um gás de suspensão inerte até à zona de processamento. Daqui retira-se que estes componentes cónicos são as peças críticas fundamentais ao bom desempenho do nozzle coaxial contínuo. Estas duas peças são projetadas na secção seguinte.