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Superfícies pouco refletoras - LTBC e outras opções

As superfícies refletoras podem causar avarias em determinadas aplicações e até influenciar os resultados, por exemplo, no controlo de qualidade ou para medições suportadas opticamente. Isto deve ser tido em conta ao selecionar uma superfície. Mas como é que as reflexões podem ser minimizadas? Este artigo apresenta várias opções para tratamento de superfície e revestimento de superfície. A Cromagem Negra a Baixa Temperatura (LTBC) ou também processo de cromagem negra, é explicada em particular.

Termos - Reflexão em geral e em física

A reflexão deriva da palavra em latim “reflexio”, que significa “voltar para trás”. Em geral, a reflexão significa que, por exemplo, ondas, luz ou impacto sonoro, e depois são atirados para trás, por uma superfície. Na física, a reflexão refere-se um pouco mais especificamente à mudança na direção de propagação de uma onda. A Lei de Reflexão aplica-se neste caso (do latim reflectere: virar para trás). A Lei de Reflexão indica que o incidente e os feixes refletidos, bem como o eixo de incidência, formam um plano comum ou ficam sobre um plano comum. Os ângulos de incidência e reflexão são iguais.

\alpha =\alpha’

A propagação da luz pode ser mostrada de forma simplificada em forma de onda:

t - Unidade de tempo
x - Intervalos por tempo = frequência
a - Pico de amplitude. Quanto maior for o pico de amplitude máxima, mais intensa é a luz, ou seja, mais brilhante.
Quanto maior for o pico de amplitude e quanto menores forem os intervalos, maior será a energia transportada.

O caminho da luz também é reversível, ou seja, quando a luz é incidente a partir da direção do feixe refletido, é refletido na direção do feixe incidente.

Em vez de refletir, a luz, as ondas e outros raios também podem ser absorvidos e transmitidos. A absorção ocorre quando o material impactado por uma viga absorve completamente esta última e a converte numa forma diferente de energia, como o calor. A transmissão ocorre quando o feixe passa completamente pelo meio sem ser refletido ou absorvido.

Utilização intencional em engenharia

Os engenheiros podem fazer uso intencional da reflexão, transmissão e absorção. Por exemplo, as seguintes tecnologias aproveitam a reflexão:

Dispositivos óticos: A luz refletida por um espelho, por exemplo, numa câmara, pode assim ser controlada de forma intencional.
Tecnologia de comunicação: Espelhos parabólicos, por exemplo, refletem ondas eletromagnéticas. Isto torna possível enviar e receber sinais.
Tecnologia solar: Aqui também são utilizados espelhos que concentram especificamente a luz solar, gerando assim mais calor.

A transmissão, por exemplo, ocorre com ultrassons. As ondas ultrassónicas penetram em materiais sólidos e proporcionam imagens da estrutura interior.

A absorção é utilizada em óticas: A luz difusa pode ser absorvida e assim minimizada ao absorver superfícies, tais como superfícies pretas.

Luz refletida como fator de ruído? O significado das superfícies de baixa reflexão

Os reflexos não são desejados onde quer que ocorram. Em determinadas aplicações, as reflexões podem até ter uma influência negativa. Por exemplo, os reflexos podem distorcer imagens utilizadas para controlo de qualidade. Um exemplo é medir e alinhar componentes. Ambas as aplicações utilizam lasers. Se o feixe de laser for refletido ou distorcido, os feixes de laser refletidos irão interferir com a precisão da medição. Em sistemas óticos como microscópios, os reflexos também podem influenciar negativamente a qualidade da imagem e dificultar a avaliação das imagens.

As superfícies de baixa reflexão são, portanto, um componente importante em muitos sistemas.

Influência de várias superfícies na reflexão

O grau de reflexão varia dependendo da cor do material, do acabamento da superfície e do tratamento anterior da superfície. A luz é refletida, dispersa e absorvida em vários graus.

* A ilustração aqui apresentada é muito simplificada e não aborda todos os fenómenos que entram em jogo.

As superfícies escuras geralmente absorvem mais luz do que as superfícies brilhantes e refletem muito menos luz visível para os olhos. Quanto menos luz for refletida, mais escura aparece uma superfície.

Por exemplo, um material brilhante e brilhante (1a) refletirá a luz diretamente. Uma vez que os materiais brilhantes não absorvem a luz de forma particularmente forte, a quantidade incidente de luz é quase tão grande como a quantidade refletida; existe pouca dispersão. Isto é um pouco diferente para uma superfície escura brilhante (1b): A luz também é refletida diretamente, mas uma parte da luz já é absorvida pela superfície escura. Isto significa que a densidade energética da luz refletida também é reduzida. O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

Uma combinação de reflexão direta e difusa ocorre para superfícies semibrilhantes claras e escuras (2a e 2b): Em ambos os casos, a densidade de energia da radiação retrorrefletora dispersa é menor. No entanto, a superfície escura atenua muito a radiação retrorrefletida devido ao aumento da absorção. Aqui, também, o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

Para superfícies mate (3a e 3b), a direção da luz refletida já não pode ser claramente determinada; o ângulo de incidência e o ângulo de reflexão variam. Sem alinhamento intencional, a luz pode impactar novamente a superfície do componente e também pode ser reabsorvida. Particularmente em superfícies mate escuras (3b), a luz, que é parcialmente refletida várias vezes, é muito atenuada pela absorção, e uma grande parte da luz é absorvida como resultado.

Como podem ser minimizadas as reflexões?

Os reflexos podem ser minimizados utilizando vários tipos de tratamento de superfície. A superfície pode ser modificada, por exemplo, aumentando a aspereza. A luz incidente é dispersa e refletida de forma difusa pelo aumento da aspereza. Os métodos, por exemplo, incluem: Gravura e moagem.

Outra opção é revestir uma superfície. Estes revestimentos são diferenciados em camadas de deposição ou camadas de conversão. Existem vários métodos para isto, que são apresentados em detalhe abaixo.

O método LTBC

Os revestimentos LTBC são utilizados principalmente para melhorar a proteção contra corrosão e reduzir a abrasão. No entanto, oferecem uma vantagem adicional: Devido à sua cor preta, os componentes revestidos com LTBC também minimizaram o comportamento de reflexão. O revestimento LTBC envolve a difusão de uma camada de fluoropolímero anodizado com cerca de 5 μm de espessura a temperaturas inferiores a 0 °C, criando assim uma ligação permanente ao material. Isto forma uma superfície preta ligada que - devido à sua resistência material - não afeta as propriedades originais do material de base. No entanto, proporciona uma proteção duradoura contra a corrosão e também é pouco refletor devido à cor preta. Em muitos revestimentos, o desgaste mecânico causa delaminações mínimas ao longo do tempo. Este problema é precisamente evitado com a Cromagem negra a baixa temperatura (LTBC).

Outros métodos para reduzir a reflexão

Segue-se uma visão geral de outros tratamentos de superfície metálica que podem influenciar a capacidade de refletir:

Cromagem preta: Os revestimentos cromados pretos consistem em deposições cromadas em diferentes fases de oxidação. A estrutura da camada amorfa faz com que a superfície pareça preta profunda e assim absorve muita luz.
Cromação preta: A superfície metálica é convertida numa camada cromante, que cria uma superfície preta uniforme. Melhora o comportamento de absorção e a proteção contra corrosão.
Revestimento a níquel: O revestimento de níquel pode ser depositado galvânica ou quimicamente. O banho de níquel galvânico é utilizado principalmente para a ótica e a proteção contra corrosão do metal. Em ambas as variantes, o níquel é depositado no material como uma camada adicional. Em primeiro lugar, pode ser gerada uma superfície lisa e brilhante que resulta num reflexo controlado, mas inversamente, também pode ser alcançado um revestimento mate em combinação com uma superfície rugosa que reflete difusamente a luz.
Esmaltes: Os reflexos podem ser muito minimizados, por exemplo, pintando o metal. Este método pode ser facilmente implementado e, adicionalmente, melhora a ótica do componente.
Método de gravação: A superfície do material é rugosa com a utilização de químicos. A luz é consequentemente dispersa em diferentes direções, a reflexão é reduzida.
Texturização: O objetivo da textura é, da mesma forma, dispersar ainda mais a luz e, assim, reduzir a reflexão. Neste caso, é aplicada uma textura na superfície.
Revestimento superficial: À semelhança da textura, diferentes camadas também podem ser depositadas na superfície metálica, por exemplo, camadas antirreflexo, nanocamadas ou camadas de absorção especializadas.
Polimento: Uma camada de óxido de ferro é depositada na superfície de aço. É impermeável, negra e permanentemente ligada. A superfície é adicionalmente mergulhada em óleo para obter uma superfície brilhante. Embora isto seja visualmente apelativo, aumenta os reflexos e tem um efeito protetor limitado. Em combinação com outros métodos, como a textura, pode ser alcançada uma redução significativa nos reflexos através do polimento (coloração preta).
Anodização preta: A superfície de alumínio é oxidada por eletrólise. Este método deposita pigmentos de cor preta que inibem quase todos os reflexos de luz.

O MISUMI oferece uma variedade de opções para tratamento de superfície, consulte a tabela seguinte:

Ilustrações de exemplo – Vários tratamentos de superfície na MISUMI
Tratamento de superfície	Materiais	Características
Niquelagem eletrolítica	todas as matérias-primas metálicas, por exemplo, aço, aço inoxidável, cobre, alumínio, latão, etc.	– alta resistência à corrosão – boa resistência à abrasão, mas sensível a riscos – espessura uniforme da camada em todo o contorno da peça de trabalho (fidelidade à forma) – acabamento disponível numa gama de mate a ligeiramente brilhante – cor do acabamento: prata branca com possibilidade de descoloração – acabamento ligeiramente brilhante a mate causa reflexo parcialmente difuso
Níquel preto eletrolítico	todas as matérias-primas metálicas, por exemplo, aço, aço inoxidável, cobre, alumínio, latão, etc.	– praticamente nenhuma proteção contra a corrosão sem pré-tratamento – o banho de níquel eletrónico anterior melhora significativamente a proteção contra a corrosão – revestimento quebradiço com uma espessura máxima da camada de até aprox. 2 µm – sensível a arranhões - acabamento disponível em gama, desde preto mate a ligeiramente brilhante – acabamento ligeiramente brilhante a mate escuro causa alta absorção com reflexo parcialmente difuso
Preto oxidado	Aço	– revestimento de óxido de ferro fino – espessura de camada uniforme, acabamento de óxido preto causa acumulação de espessura de camada insignificante – a proteção contra ferrugem é fornecida apenas em conjunto com o óleo – cor de acabamento: antracite a preto – texturas suaves tornam-se um pouco mate, um efeito acetinado mate com boa aderência ao óleo é criado – efeito acetinado mate em combinação com acabamento escuro causa maior absorção – reflexo difuso para reflexão direta com porção difusa, dependendo do acabamento
Cromado (grau III), incolor	Metais de base como aço, ligas de alumínio, magnésio, etc.	– boa resistência à corrosão – acabamento visualmente apelativo com aspecto mate – espessura uniforme da camada em todo o contorno da peça de trabalho (forma-fidelidade) – carácter metálico do acabamento é amplamente retido - acabamento mate provoca reflexo difuso com baixa porção de reflexo direto
Preto cromado (grau III)	Metais de base como aço, ligas de alumínio, magnésio, etc.	– como cromado (grau III), incolor – acabamento preto – acabamento mate em conjunto com coloração escura provoca maior absorção
Anodizado (incolor)	Ligas de alumínio (também possíveis com magnésio ou titânio, por exemplo)	– boa resistência à corrosão – boa resistência à abrasão com espessura de camada correspondente – cor do alumínio – reflexão reduzida devido à superfície mate, finamente texturizada
Anodizado (preto)	Ligas de alumínio (também possíveis com magnésio ou titânio, por exemplo)	– boa resistência à corrosão – boa resistência à abrasão com espessura de camada correspondente – acabamento preto – reflexão mais fortemente reduzida devido à superfície mate, finamente texturizada com – acabamento escuro provoca maior absorção
Preto banhado a crómio	Aço cobre aço inoxidável, etc.	– alta resistência à corrosão – alta resistência à abrasão com espessura de camada correspondente, mas possível a lascagem – espessuras de camada extremamente finas possíveis, para peças com requisitos de alta precisão – cor de acabamento: antracite a preto profundo – brilhante a mate possível – o comportamento de aparência e reflexão da camada cromada é fortemente influenciado pela textura do material de base e por qualquer camada intermediária

Também podem ser utilizados diferentes revestimentos num componente; consulte a figura:

Diferentes tratamentos de superfície numa mesa de posicionamento de precisão

Corpo da base, esquerdo: revestimento de níquel químico
Corpo da base, direita: Revestimento de LTBC
Parafusos de ajuste: transparente anodizado

Os métodos aqui mencionados representam apenas uma parte dos métodos e opções de processamento possíveis para alcançar uma superfície de baixa reflexão. O método que pode ser utilizado depende não só do material utilizado, mas também da utilização pretendida, das condições de funcionamento atuais e do tipo de aplicação. Componentes com reflexão reduzida, como bases, suportes para perfis de construção ou anéis de fixação para eixos estão disponíveis para uma ampla gama de aplicações.