Desafio 10: Bases Mecânicas Ultra Estáveis – Desafios Sirius
Desafio 10: Bases Mecânicas Ultra Estáveis
Desafio 10: Bases Mecânicas Ultra…
Nas linhas de luz, elementos optomecânicos, tais como monocromadores, espelhos, fendas e monitores de posição, definem em grande medida as características e a estabilidade do feixe que sofrerá interação com as amostras. Além disso, as estruturas das bancadas das estações experimentais são de fundamental importância para garantir a estabilidade dos experimentos.
A figura 1 mostra as estações experimentais atuais de duas linhas de luz do LNLS, DXAS e IMX, com destaque para as estruturas de blocos de granito sobre estruturas metálicas de ferro fundido.
Figura 1: Monocromador (esquerda) e suporte para máscaras e BPM's (direita) na linha de luz ID16 do ESRF (Grenoble, França).
Para o Sirius, contudo, este tipo de solução é insuficiente. De fato, os experimentos propostos para as futuras linhas de luz colocam exigências críticas sobre a estabilidade, térmica e mecânica, da grande maioria de seus componentes. Com linhas de luz de mais de cem metros de comprimento e feixes de luz (spots) tão pequenos quanto poucas dezenas de nanômetros (isto é, da ordem de 0,00001 mm), esses componentes devem ser montados sobre estruturas rígidas e estáveis, e condicionados em ambientes com temperatura estabilizada em torno de 0.1˚C.
Em laboratórios similares ao Sirius, o estado da arte em termos de estabilidade mecânica é alcançado por meio de grandes peças de granito, material com reconhecida estabilidade para fins de metrologia mecânica. Além do granito, materiais com propriedades similares, como granito sintético e concreto polimérico, são frequentemente utilizados e, eventualmente, tipos especiais de concreto também são aplicados. Alguns exemplos de aplicações são exibidos na figura 2, a seguir:
Figura 2: Componentes ópticos na linha de luz ID16 do ESRF na França: monocromador (esquerda) e suporte para máscaras e BPM's (centro). Na linha de luz NanoXAS do SLS na Suíça, à direita.
Algumas das principais razões que norteiam a escolha de granitos para a manufatura de sistemas que requerem precisão e estabilidade são: estabilidade dimensional, com estrutura livre de tensões internas, baixo coeficiente de expansão térmica, resistência a ácidos e oxidação, e resistência a desgaste; inexistência de rebarbas; dureza comparável à de aços temperados; elasticidade comparável à do ferro fundido; densidade comparável à do alumínio; isolação elétrica; e, muitas vezes, insensibilidade magnética. Os granitos permitem ainda qualidades de acabamento superficial particularmente atraentes, seguindo geralmente a norma DIN 876.
Por outro lado, conforme visto na tabela 1, felizmente novas tecnologias, como concretos poliméricos, têm conseguido propriedades similares às do granito natural, e com potencial de superação. Do ponto de vista dinâmico, as características de resposta de estruturas são essencialmente determinadas pelas propriedades de massa e rigidez, responsáveis pela energia armazenada no sistema, e amortecimento, responsável pela perda de energia do sistema. Sistemas de maior massa e compostos por materiais com módulos de elasticidade maiores podem atingir ressonâncias em frequências mais altas, o que reduz o risco de amplificação de vibrações inevitavelmente presentes no solo e advindas de fontes próximas. Propriedades de amortecimento, mostradas na figura 3, por sua vez, absorvem energia e reduzem a amplitude de picos de ressonância. Do ponto de vista térmico, é preciso que os materiais tenham baixo coeficiente de expansão térmico e baixo coeficiente de condução térmica, atuando como isoladores.
Tabela 1: Propriedades físicas de materiais utilizados em estruturas de sistemas mecânicos de precisão. Fonte.
Figura 3: Fatores de perda de materiais utilizados em estruturas de sistemas mecânicos de precisão. Fonte.
Na Europa, por exemplo, podem ser encontrados diversos fornecedores com tecnologia para a produção de bases e conjuntos, mas no Brasil fornecedores similares não são conhecidos. Apesar de o Brasil contar com grandes pedreiras e com a disponibilidade de materiais sintéticos e poliméricos, o foco parece estar destinado apenas à construção civil, particularmente para arquitetura e decoração. Portanto, o uso desses materiais em produtos que aproveitem suas excelentes propriedades físicas para aplicações funcionais mais nobres ainda é muito limitado, ou inexistente. Não obstante, o grupo de engenharia do LNLS é convicto de que mediante o interesse e alguma dedicação esse nicho pode ser preenchido facilmente. Além de aplicações em instrumentação e pesquisa, essa tecnologia tem grande potencial de aplicação no setor produtivo, na composição de máquinas ferramentas, de metrologia, da indústria eletrônica e de semicondutores, no setor militar e aeroespacial, ou mesmo realimentando a construção civil a partir do desenvolvimento de novos materiais.
Esta proposta busca desenvolver empresas nacionais capazes produzir estruturas (bases inerciais) para sistemas mecânicos de precisão das futuras linhas de luz do Sirius, de acordo com as características de estabilidade exigidas. Estruturas de concreto ou material sintético apresentam duas vantagens intrínsecas sobre aquelas de granito, a saber, permitem geometrias mais complexas em monoblocos e a presença de insertos metálicos como parte do material, enquanto que para granito natural são necessárias associações de blocos e colagens. Para algumas aplicações das linhas de luz, esse fato pode ser significativo, no entanto, não há restrições por parte do LNLS quanto ao conceito da solução, desde que seu desempenho seja satisfatório. A tabela 2 mostra alguns dos números que balizam as propriedades físicas esperadas para esses elementos, as quais deverão ser validadas por meio de análises e ensaios.
Tabela 2: Propriedades físicas de materiais utilizados em estruturas de sistemas mecânicos.
Atendendo às particularidades de cada linha de luz, podem-se esperar elementos entre 0.5 e 5m3, que apenas excepcionalmente serão repetidos. Ou seja, a grande demanda será por elementos únicos, customizados as para aplicações específicas. Por isso, o domínio da tecnologia de produção é muito mais significativo do que o desenvolvimento de um produto em si. Tratando de quantidades, estima-se que cada uma das 40 linhas de luz, sendo 13 o número de linhas previstas para a primeira fase do projeto, consumirá algo entre 5 e 20 elementos desse tipo.