Explorando a Nanomaquinação Baseada em Ponta com Dinâmica Molecular: Uma Revisão Abrangente

Introdução

A tecnologia de micro/nanomanufatura tem sido amplamente utilizada em diversas áreas, incluindo meio ambiente, energia, biologia, medicina, defesa nacional e outros campos, desempenhando um papel cada vez mais importante na promoção do desenvolvimento nacional e do progresso social [1,2,3,4]. Para realizar a micro/nanofabricação de alta precisão, a abordagem de usinagem mecânica baseada em sonda de microscopia de força atômica (AFM), conhecida como TBN, possui equipamento e operações simples, precisão de usinagem na escala nanométrica com baixos requisitos ambientais, e demonstrou ser uma abordagem poderosa e viável para fabricar microestruturas [5, 6]. Até o momento, nanpontos, linhas/sulcos, estruturas bidimensionais (2D)/tridimensionais (3D) e até nanoestruturas em superfícies curvas — conhecidas como os principais componentes de nanodispositivos — já foram fabricadas com sucesso pelo método TBN [7].

Para fabricar nanoestruturas com maior precisão, é necessário um entendimento profundo do processo de usinagem dos métodos TBN. Muitos estudiosos investigaram o mecanismo da abordagem TBN com experimentos em diversos materiais, como metais [8], semicondutores [9, 10] e polímeros [11]. No entanto, é difícil investigar mais a fundo o mecanismo interno das abordagens TBN por meio de experimentos. A simulação de dinâmica molecular (MD) demonstrou ser uma ferramenta poderosa para explorar o processo de nanousinagem que não pode ser totalmente revelado por experimentos [12, 13]. Comparado ao método experimental, o método MD pode explicar melhor o mecanismo em microscala da remoção de material e geração de superfície através da análise de forças de corte, estado de tensão, dissipação de energia e topografia de superfície [12].

No passado, alguns estudiosos já utilizaram a tecnologia de simulação MD para investigar os processos TBN. Fang et al. investigaram os efeitos da alimentação de riscagem e do ângulo do cone no processo de nanolitografia [14, 15]. Isono e Tanaka analisaram os efeitos da temperatura, usinabilidade e forças interatômicas do metal níquel [16, 17]. Yan et al. estudaram os efeitos da geometria da ponta no processo de litografia baseada em AFM [18]. Atualmente, alguns novos processos TBN têm sido investigados com simulações MD. Xiao et al. compararam a diferença entre o método de arado estático e o método de arado dinâmico, e descobriram que nanoestruturas menores poderiam ser fabricadas com o método de arado dinâmico [19]. Geng et al. realizaram simulações MD de nanorriscagem controlada por carga, aplicando diretamente uma carga normal constante na sonda [20]. Para fabricar nanossulcos com maior densidade, a alimentação mínima (MF) deve ser estudada. Ren et al. apresentaram uma nova abordagem que envolve um critério do grosseiro para o fino para determinar a MF com o uso de simulações MD [21]. Os resultados mostram que uma MF de alta precisão é obtida. No entanto, em artigos de revisão anteriores [12, 13, 22,23,24], esses novos avanços da tecnologia de simulação MD usada para o processo TBN não estão incluídos. Assim, nesta revisão, focamos no estado da arte recente da simulação MD para métodos TBN. As tecnologias de modelagem em diversos materiais e novos métodos de usinagem são discutidos primeiro. Em seguida, o mecanismo dos métodos TBN é revisado, incluindo análise de força de corte, análise de remoção de material e análise de defeitos no subsuperfície. Por fim, os desafios remanescentes e perspectivas futuras na simulação MD de TBN também são apresentados nesta revisão.

Métodos de Simulação

Para obter resultados de previsão precisos, é necessário otimizar o modelo de simulação e a configuração de processamento relacionada. O modelo de simulação contém principalmente configuração atômica e função de potencial. A configuração atômica pode ser categorizada em estrutura cristalina e amorfa. Os átomos em materiais cristalinos como cobre, ferro, silício, etc., são arranjados de maneira regular e ordenada, enquanto materiais amorfos como polímeros são compostos por cadeias moleculares irregulares. O comportamento do material na nanoescala é representado em simulações MD por meio de funções de potencial, e várias funções de potencial foram propostas e utilizadas para simular o comportamento do material em simulações atomísticas. Além disso, a configuração de processamento também deve ser considerada, como as várias condições e abordagens de usinagem. As seções a seguir apresentarão as metodologias de estabelecimento do modelo e a configuração de processamento.

Estabelecimento do Modelo MD

A configuração atômica interna de materiais cristalinos é variada, como cobre (cúbico de face centrada), ferro (cúbico de corpo centrado), titânio (hexagonal compacto) e silício (estrutura de diamante) [27, 28]. A maioria dos materiais cristalinos está na forma de monocristalino e policristalino. O sólido monocristalino possui uma estrutura atômica que se repete periodicamente por todo o seu volume com a ausência de defeitos. Duplicar a célula unitária em todas as três direções espaciais pode estabelecer facilmente o modelo de monocristal [13]. Ao estabelecer o modelo atômico MD, as várias orientações de superfície devem ser consideradas, pois podem influenciar as propriedades de usinagem da peça [29,30,31]. A estrutura policristalina possui estrutura com diferentes tamanhos de grão, que foi construída seguindo o método de tesselação de Voronoi [32]. Material nanotwined (NT) é um tipo de estrutura especial de policristalino que se tornou objeto de pesquisa mais importante devido às suas propriedades mecânicas excepcionais, como ultra-alta resistência, boa ductilidade e alta tenacidade à fratura [33,34,35,36]. Nesta revisão, o método para construir Cu policristalino NT é dado como exemplo [25]: primeiro, uma multicamada que consiste em múltiplas camadas de Cu monocristalino de espessura igual é construída e formas TB entre camadas adjacentes. Segundo, o ângulo de cada grão é calculado. Finalmente, o policristalino NT com condições de contorno periódicas é gerado usando a construção de Voronoi, que acomoda a multicamada e o ângulo de grão obtido. A Figura 1a apresenta as configurações atômicas de cobre incluindo Cu monocristalino, Cu policristalino e Cu policristalino NT, nos quais os átomos são coloridos pelo vizinho comum.

a Microestrutura de Cu monocristalino. b Microestrutura de nanopolicristalino. c Microestrutura de policristalino NT. Átomos coloridos de acordo com valores CNA, onde verde e branco representam FCC e átomos de defeito [25]. d Modelo equilibrado de átomo unido de PE amorfo, o modelo foi colorido por diferentes cadeias moleculares [26]

Em estudos anteriores, o polímero foi modelado com um modelo genérico de grão grosso [37, 38]. Por exemplo, os detalhes para estabelecer o modelo de polietileno (PE) são dados a seguir [39]: (i) o sistema PE inicial com 10 cadeias moleculares foi obtido com o uso do algoritmo de caminhada aleatória auto-evitante de Monte Carlo [39]; (ii) o primeiro átomo de cada cadeia foi inserido em um sítio disponível da rede primeiro e então a cadeia molecular começou a crescer ao longo de uma certa direção baseada em um modo probabilístico passo a passo de acordo com o comprimento da ligação e os sítios desocupados na célula; (iii) uma vez dada a densidade inicial, o tamanho da caixa de simulação é determinado. Em nossa simulação, a dimensão da caixa de simulação inicial era de aproximadamente 80,06 × 80,06 × 80,06 ų para o sistema consistindo de 10 cadeias de PE. O modelo MD de PE é mostrado na Fig. 1d.

A geometria da ponta é geralmente complexa e variável, incluindo forma cônica [40], pirâmide triangular [18] e hemisfério (forma cega) [21], o que desempenha um papel importante no processo TBN. Em particular, a forma da ferramenta de pirâmide no modelo MD é consistente com a do processo de usinagem AFM e a ferramenta esférica é consistente com o grão abrasivo no processo de retificação; assim, o mecanismo de usinagem pode ser melhor explicado comparando os resultados da simulação com os resultados experimentais. Na maioria dos casos, a ponta é considerada infinitamente rígida, o que é alcançado mantendo as posições relativas dos átomos constantes e movendo-se a velocidade constante [41].

Também é crucial selecionar as funções de energia potencial adequadas, que determinam a credibilidade dos resultados da simulação [21]. EAM é um potencial de multicarpos adequado para sistemas metálicos [24]. Ele fornece uma descrição mais realista da coesão metálica e evita a ambiguidade herdada pela dependência do volume, sendo empregado para descrever a interação entre átomos metálicos, como cobre [42] e ferro [43]. Os potenciais Tersoff [44] e Stillinger-Weber (SW) [45] provaram ser particularmente viáveis para modelar materiais com estrutura cúbica de diamante. Para investigar o mecanismo do Si no processo TBN, o deslizamento de discordância e a transformação de fase devem ser observados nas simulações MD. Comparado ao potencial Tersoff, o potencial SW não apenas tem flexibilidade suficiente para descrever várias configurações diferentes de silício, mas também fornece a correspondência mais próxima aos resultados de nucleação de discordância ab initio em silício livre de defeitos [46, 47]. Assim, a função de potencial SW pode ter mais potencial para descrever a interação entre átomos de silício. Potencial de ordem de ligação analítica (ABOP), Ordem de Ligação Empírica Reativa (REBO) e Ordem de Ligação Empírica Reativa Intermolecular Adaptativa (AIREBO) são uma classe de potenciais que estendem a função de potencial de Tersoff de acordo com a aproximação de ligação forte e dependem de quantidades fundamentais [48]. O potencial ABOP é ideal para as interações entre átomos de silício e carbono, sendo empregado para investigar a deformação do material e o comportamento de remoção no processo de SiC. O potencial REBO é particularmente popular em simulações de carbono e nanotubos de carbono. O modelo AIREBO foi desenvolvido para superar as deficiências da função de potencial REBO, fornecendo aproximação mais precisa do que os termos REBO e também adicionando capacidades de modelar interações mais complexas [41]. As interações inter e intramoleculares na amostra de poliestireno são descritas pelo bem estabelecido potencial AIREBO [49].

A maioria das simulações MD foi realizada com o uso do Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) [50]. Alguns modelos complexos de peças como materiais policristalinos e nanotwined policristalinos podem ser realizados com Atomsk [51]. A construção de polímeros, incluindo átomos, ângulos de ligação, impróprios e seus vários tipos são obtidos do arquivo de dados gerado pelo Material Studio (MS) [52]. Tanto a Open Visualization Tool (OVITO) [53] quanto a visual molecular dynamics (VMD) [54] são ferramentas úteis para visualizar o modelo ou o processo de usinagem.

Com o uso de simulações MD, vários modelos de materiais podem ser estabelecidos efetivamente. No entanto, a maioria dos modelos de peças é menor que 50 nm × 50 nm × 50 nm em tamanho, o que pode resultar em desvio dos resultados reais [40, 55, 56]. Além disso, ainda há falta de funções de potencial que possam descrever efetivamente alguns materiais como GaAs e Lu₂O₃. Assim, modelos MD e funções de potencial relacionadas ainda precisam ser otimizados para descrever o processo de simulação com mais precisão.

Configuração de Processamento

Em experimentos TBN, o modo controlado por carga é geralmente realizado aplicando uma carga normal constante na ponta. Este modo demonstrou ter maior precisão, especialmente na condução de nanousinagem em superfícies inclinadas ou curvas. No entanto, muitas simulações MD de processos TBN são realizadas sob modo controlado por deslocamento, o que pode levar a diferença entre simulação e experimento [18, 57]. Assim, alguns estudiosos realizaram simulação MD de processo de nanorriscagem controlada por carga aplicando diretamente uma carga normal constante na sonda [20, 58]. Nos processos de usinagem, pode ser dividido em três partes: etapa de relaxamento, etapa de penetração e etapa de riscagem. Além disso, a ponta não é completamente perpendicular à peça devido à curvatura do feixe do microscópio de força atômica (AFM), substrato com ângulo de inclinação, bem como rugosidade da superfície da amostra. Assim, o efeito da inclinação da ponta não deve ser negligenciado. Liu et al. escolheram pontas com diferentes ângulos de inclinação para investigar o efeito da inclinação da ponta nos resultados de usinagem [59]. Além disso, o desgaste da ponta é um fator chave para o processo de usinagem, que tem grande influência na qualidade da usinagem. Nanorriscagem com lubrificação de camada de água pode reduzir o desgaste da ponta para aumentar a vida útil da ferramenta e garantir a qualidade da usinagem. No entanto, o mecanismo de usinagem afetado pela lubrificação de camada de água ainda não é bem compreendido. Para resolver este ponto, Ren et al. usaram o método de simulação MD para investigar os efeitos da lubrificação de camada de água nos resultados de usinagem com cobre monocristalino [60].

O processo de riscagem única provou ser um método fácil para fabricar nanossulco, mas tem limitação na dimensão do sulco. O método de riscagem multi-passe foi apresentado para ampliar o tamanho do nanossulco [62]. Geng et al. estudaram a diferença entre abordagem de passe único e abordagem multi-passe com simulação MD e resultados experimentais [20]. Tanto a abordagem de passe único quanto a multi-passe podem ser consideradas como litografia de arado estático, que são conduzidas com o modo de contato do sistema AFM. No entanto, a litografia de arado estático pode induzir desgaste de ponta não negligenciável ao realizar processo de riscagem de longa distância. A técnica de usinagem baseada no modo de toque é chamada de litografia de arado dinâmico, que tem o potencial de reduzir o desgaste da ponta. A Figura 2 mostra os esquemas da litografia de arado estático e dinâmico no cobre monocristalino, respectivamente. Para o arado estático, a ponta de diamante primeiro desce e então começa a arar ao longo da direção negativa do eixo x. Após a conclusão do arado, a ponta é retirada para cima até a posição vertical original. Para o processo de arado dinâmico, a ponta de diamante move-se ao longo de uma curva senoidal com amplitude pico-vale pontiaguda e período [19]. Baseado no princípio da técnica de usinagem baseada no modo de toque, Sundaram et al. desenvolveram um novo método de nanousinagem usando AFM, denominado Vibration-Assisted Nano Impact machining by Loose Abrasives (VANILA). Neste método, o AFM é usado como plataforma e nanoabrasivos são injetados na pasta entre a peça de silício e a vibração da ponta AFM. A energia cinética para os abrasivos é gerada pela vibração da ponta AFM e consequentemente resulta em remoção de material na nanoescala da amostra [61]. A representação esquemática do processo VANILA é mostrada na Fig. 2b, c.

a Os esquemas da litografia de arado estático e dinâmico no cobre monocristalino [19]. b Ponta de ferramenta AFM atingindo uma partícula de diamante. c Partícula de diamante atingindo a peça [61]

Análise dos Resultados da Simulação

Análise de Força de Corte

A força de corte pode refletir claramente o processo de remoção de material e a evolução de defeitos, sendo um parâmetro físico importante para entender o fenômeno de corte [19, 63, 64]. Além disso, a força de corte está intimamente relacionada à potência de corte e vida útil da ferramenta, o que pode fornecer orientação no processo de usinagem TBN [65]. No processo TBN, a força de corte é principalmente avaliada pelo método de calibração de força, mas a força lateral não pode ser obtida por este método [66, 67]. Ao usar a tecnologia de dinâmica molecular, a variação das forças de corte, incluindo forças lateral e tangencial, pode ser observada em tempo real para todo o processo [68]. Além disso, a força média e a força resultante também podem ser obtidas através do método de simulação MD.

Através da análise da variação da força de corte, a diferença de várias estruturas de material e a influência dos parâmetros de usinagem no processo TBN podem ser refletidas. Li et al. descobriram forças maiores para riscagem em Cu policristalino comparado com Cu monocristalino, atribuído ao fato de que a anisotropia do grão de superfície tem pouco efeito entre peça e ponta quando a ponta passa de um grão para outro de diferentes orientações cristalinas, enquanto o fluxo plástico estável é mostrado na remoção de material de Cu monocristalino devido ao seu sistema de orientação única [25]. Também foi descoberto que a força de corte para diferentes estruturas cristalinas aumenta com o incremento da velocidade de corte porque uma velocidade de nanorriscagem mais alta produz mais cavacos [69]. Pelo contrário, a mudança de força de corte apresenta comportamento adverso no processo de riscagem de SiC, porque velocidade mais alta pode gerar mais átomos de estrutura cristalina amorfa, o que torna o material SiC mais dúctil e mais fácil de ser removido [70]. Yan et al. investigaram a usinabilidade de bicamadas Cu/Ni usando o método de simulação MD e descobriram que a força das bicamadas Ni-Cu é maior comparada com Cu, Ni e bicamadas Cu-Ni, pois o movimento de discordâncias foi impedido pela interface das bicamadas que serviu como barreira de propagação [71]. Em relação a polímeros amorfos, a propriedade de usinagem foi influenciada pela velocidade de riscagem em três aspectos diferentes a seguir [72]: primeiro, a maior altura de acúmulo na frente da ponta gerada em velocidade mais alta leva a uma maior força tangencial devido a mais resistência à ponta. Em seguida, velocidade mais alta leva a uma maior taxa de deformação, o que pode causar endurecimento por deformação do material. Isso também levaria ao incremento das forças de corte. Finalmente, com o incremento da velocidade, o efeito de amolecimento térmico permite que a peça seja usinada mais facilmente, reduzindo a força tangencial e a força normal. Nos processos de usinagem de polímeros, as forças de corte aumentam com o incremento da velocidade, indicando que o efeito de acúmulo e endurecimento por taxa de deformação desempenham papéis mais importantes na determinação das forças de riscagem. Além da influência dos materiais da peça, a geometria da ponta também desempenha um papel importante no processo de usinagem [18, 73, 74]. Ren et al. investigaram o efeito dos ângulos da ponta nas forças de corte com ponta de forma cônica. Verificou-se que as forças aumentam com o aumento dos semi-ângulos de ápice devido ao crescimento da área de contato entre a ponta e os materiais da peça [21]. Além disso, o coeficiente de atrito diminui fortemente com o semi-ápice, enquanto a dureza aumenta [75].

Alguns estudiosos também investigaram a variação da força de corte em condições específicas de usinagem. Ren et al. analisaram a correlação entre a espessura da camada de água e as forças de riscagem. A variação das forças de riscagem com a mudança na espessura da camada de água é mostrada na Fig. 3. Diferente do processo de macrorriscagem onde a camada de água desempenha principalmente papel de lubrificação e redução da força de corte, a resistência da camada de água é dominante comparada ao efeito lubrificante e a camada de água mais espessa leva a maiores forças de corte totais [60]. Além disso, o efeito da inclinação da ponta também é discutido pela análise de dureza (força normal por átomo) e coeficiente de atrito [59]. Os resultados mostram que a dureza normal é mais sensível na direção frontal ou traseira comparada e o efeito da inclinação lateral da ponta pode ser negligenciado. Além disso, o efeito da inclinação na força normal é a principal razão para a mudança do coeficiente de atrito e o efeito da inclinação na força de riscagem é muito menor do que o efeito na força normal.

a Variação das forças médias de riscagem com a mudança na espessura da camada de água: a forças tangenciais e b forças normais [60]

Ao comparar a força de corte entre arado estático e arado dinâmico, a diferença de mecanismo pode ser revelada. A força de corte na litografia de arado dinâmico oscila drasticamente com o toque periódico da ponta de diamante, enquanto pequenas flutuações são observadas no arado estático. Além disso, a força média de usinagem no arado dinâmico é menor que metade da do arado estático, indicando menor desgaste da ponta na litografia de arado dinâmico [19]. No processo de arado dinâmico, a orientação da ponta tem grande influência na força de corte. Yan et al. combinaram a profundidade do sulco e a força de arado para comparar a eficiência de usinagem. Os resultados mostram que a face lateral para frente da ponta tem a melhor eficiência, pois tinha força de arado similar à da orientação face para frente da ponta, mas ao mesmo tempo mais do que o dobro da profundidade do sulco [63]. Através da análise das forças de corte, o mecanismo do processo de usinagem TBN com vários materiais e condições de usinagem pode ser melhor explicado. Além disso, a comparação das forças de corte em vários modos de processamento pode fornecer orientação para a otimização do processo da abordagem TBN.

Análise do Estado de Remoção de Material

A análise do estado de remoção de material também é um método essencial para revelar o mecanismo da abordagem TBN. A remoção do material e a topografia no processo de usinagem são geralmente observadas através de microscópio eletrônico de varredura (MEV) e AFM. No entanto, a morfologia do sulco e o estado de remoção só podem ser detectados após o processamento e o processo de remoção de material não pode ser compreendido dinamicamente. Recentemente, Zhang et al. usaram ferramentas de corte lineares diretamente conectadas no MEV para ver o processo de formação de cavaco na corte de material, enquanto este método é complicado e o MEV deve ser modificado [76]. Assim, este método é difícil de ser generalizado. Comparado com o método experimental, o método de simulação MD pode ser facilmente usado para explorar o mecanismo de remoção de material e geração de superfície na nanoescala, e o processo de usinagem pode ser observado em tempo real através do método MD.

Sabe-se dos resultados de simulação MD do processo TBN que os estados de deformação são classificados em estado de arado e estado de corte. Com o movimento da ponta, os átomos do material da peça à frente da ponta são espremidos e então se acumulam para formar o cavaco contínuo durante o estado de corte. Simultaneamente, também existem alguns átomos do material da peça que se acumulam nos lados esquerdo e direito do sulco fabricado após a passagem da ponta [57]. Comparando a razão do estado de corte para o estado de não-corte, pode-se obter se o estado de corte ou o estado de arado ocupam a parte dominante quando vários raios de ponta são usados para riscar em diferentes profundidades de riscagem [77]. Nos últimos anos, muitos estudiosos investigaram ainda mais as propriedades do material nos estados de remoção de material. Por exemplo, material monocristalino mostra anisotropia no processo TBN, que tem grande efeito na remoção de material [20]. Comparado com materiais monocristalinos, fronteiras de grão têm um efeito importante nas propriedades mecânicas de materiais policristalinos. Gao et al. descobriram que a orientação do grão, em vez do tamanho do grão, também é dominante na determinação do perfil do acúmulo [78]. Além disso, a geometria da ponta também tem forte efeito na remoção de material. Três tipos de ponta (cônica, pirâmide triangular e ponta hemisférica) foram selecionados para revelar o efeito da geometria da ponta no estado de remoção de material. Para a ponta cônica, há uma clara dependência do semi-ângulo de ápice. Com um semi-ângulo de ápice maior da ponta leva a mais volume de cavaco e melhora a suavidade da superfície de riscagem, mas requer maior força de riscagem, gera maior coeficiente de atrito e temperatura mais alta na peça, e aumenta o dano no subsuperfície [40]. Alhafez também investigou o efeito do semi-ângulo de ápice na formação de acúmulo [75]. Verificou-se que ao riscar com pequeno semi-ângulo de ápice da ponta, o acúmulo se acumula principalmente na direção frontal, enquanto o acúmulo lateral domina para a condição de usinagem de grande semi-ângulo de ápice da ponta. Alguns estudos focaram na ponta de pirâmide triangular que é consistente com a geometria real da ponta no processo de usinagem baseada em AFM [19, 20, 63, 79]. Três direções de usinagem foram principalmente comparadas, que são aresta para frente, face para frente e face lateral para frente. No processo de usinagem de SiC, o estado de remoção de material pode ser simplesmente controlado ajustando a direção de riscagem da ferramenta. A direção de riscagem aresta para frente pode fornecer um processo mais estável, que pode resultar em melhor precisão de tamanho e consistência dos sulcos obtidos [79]. No entanto, o estado de remoção de material de polímeros é mais sensível à temperatura comparado com materiais metálicos ou semicondutores. Durante o processo de riscagem, a temperatura local na zona de riscagem é maior que a temperatura de transição vítrea, o que indica que a peça na zona de riscagem pode ser removida de maneira dúctil [72]. Zhan et al. investigaram os mecanismos microscópicos de atrito de poliestireno amorfo. Eles descobriram que a flexibilidade das cadeias moleculares aumenta com o aumento da temperatura, o que pode permitir que as cadeias moleculares se enrolem e retornem ao seu estado original mais facilmente [56]. Du et al. descobriram que a velocidade de usinagem tem grande influência nos resultados usinados de poliestireno. A mudança intra-cadeia domina a deformação permanente da amostra de poliestireno quando a velocidade de usinagem é pequena, enquanto o deslizamento inter-cadeia é mais pronunciado quando a velocidade de usinagem é grande [80].

Como pode ser visto na discussão acima, a maioria dos estudos focou principalmente na condição seca em vez de fluidos. No entanto, os átomos acumulados à frente da ferramenta são reduzidos e as rebarbas ao longo dos sulcos não são óbvias com alta espessura da camada de água e a rugosidade de superfície diminui visivelmente e resulta em uma superfície relativamente lisa. Pode ser explicado que a camada de água atua como lubrificante para reduzir a região de adesão entre a ferramenta e a superfície do cavaco recém-formado e reduz a força de arrasto exibida na fronteira face do cavaco-ferramenta. A consequência direta é que a qualidade da superfície é muito melhorada. Com o aumento da espessura da camada de água, a qualidade da superfície pode ser melhorada gradualmente [60]. Em algumas abordagens de usinagem novas, Shockly et al. investigaram os efeitos dos parâmetros (velocidade de impacto, ângulo de impacto e temperatura de operação) na usinagem nanoimpacto assistida por vibração na formação de nanocavidade e descobriram que os parâmetros de operação têm influência substancial na profundidade e largura das nanocavidades geradas como mostrado na Fig. 4 [61]. Xiao et al. descobriram que a profundidade e largura do sulco no processo de arado dinâmico são menores do que aquelas no processo de arado estático, o que significa que nanoestruturas com pequenas características poderiam ser fabricadas através da litografia de arado dinâmico. Além disso, a dimensão dos sulcos poderia ser controlada pela razão de amplitude de acionamento no processo de arado dinâmico, e isso demonstra que a fabricação dos sulcos também poderia ser controlável [19].

Gráfico de regressão linear múltipla para a profundidade da nanocavidade (velocidade de impacto, ângulo de impacto e temperatura de operação) e b largura da nanocavidade (velocidade de impacto, ângulo de impacto e temperatura de operação) [61]

Durante o processo de remoção de material, comportamento de desgaste existe na ponta. Na maioria dos estudos anteriores, a ponta é definida como corpo rígido, o que significa que o fenômeno de desgaste da ferramenta não pode ser observado diretamente [13]. Muitos estudiosos investigaram o desgaste da ferramenta estudando estado de remoção de material, tensão e distribuição de temperatura [70, 77]. Para refletir o fenômeno real de desgaste da ponta durante o processo de usinagem, Meng et al. definiram a ponta como corpo deformável e encontraram comportamento de desgaste da ponta durante o processo de usinagem [81]. Os resultados mostram que a forma de desgaste do abrasivo de diamante é principalmente desgaste adesivo no estágio inicial e desgaste átomo a átomo no estágio de estabilidade do processamento e a quantidade de desgaste por atribuição átomo a átomo do abrasivo é menos afetada pela velocidade de corte [81]. É notável que há relativamente poucos relatórios sobre comportamento de desgaste da ponta. Espera-se que o uso do corpo deformável da ponta promova ainda mais a investigação do comportamento de desgaste da ponta durante o processo de nanousinagem.

A análise do estado de remoção de material fornece um suporte eficaz para o monitoramento em tempo real do processo de usinagem. No entanto, devido à limitação da escala de comprimento mencionada acima, a morfologia da superfície usinada e o processo de remoção de materiais só poderiam ser analisados por comparação qualitativa. É difícil prever resultados de processamento precisos.

Análise do Processo de Evolução de Defeitos

Para obter informações sobre os defeitos gerados durante o processo de riscagem, o MET é geralmente empregado após as técnicas de preparação de amostra FIB, que tem várias desvantagens, como operação relativamente complicada, alto custo e forte dependência do material.

O método de simulação MD pode obter os defeitos gerados abaixo da superfície da amostra facilmente. Além disso, o processo de evolução de defeitos durante a riscagem também pode ser observado usando a abordagem de simulação MD, o que não pode ser obtido pelo método experimental. Muitos algoritmos disponíveis para extrair tipos de defeitos foram apresentados, incluindo análise de vizinho comum (CNA) [82], parâmetro de centro-simetria (CSP) [83], análise de vetor de deslizamento [84], análise de Ackland-Jones [85], etc. No entanto, esses métodos não são adequados para rastrear a propagação de discordâncias, especialmente quando um grande número de discordâncias é gerado por riscagem da ponta ao longo de certa direção, e não podemos mais investigar o que está acontecendo dentro da amostra usando esses métodos [86]. Chen et al. apresentaram análise de deslizamento para visualizar o processo de deslizamento atômico para deformação do material, que poderia filtrar aqueles átomos que deslizaram em relação aos seus átomos vizinhos durante um período de tempo especificado na condição com grande número de átomos [86]. Usando este método, Xiao et al. investigaram o processo de deslizamento durante litografia de arado dinâmico e estático [19]. A relação entre a força de corte e o processo de deslizamento é mostrada na Fig. 5. Pode-se ver que para arado dinâmico, o material da amostra flui principalmente para baixo e lateralmente, enquanto nenhum fluxo de material para baixo óbvio é observado no processo de arado estático. Além disso, a propagação da discordância depende da orientação da ponta, levando às várias morfologias dos sulcos. O algoritmo de extração de discordância (DXA) também é uma ferramenta útil de análise de discordância para identificar a discordância de rede e determinar seu vetor de Burgers [87]. Usando este método, Gao et al. investigaram o comportamento da nanorriscagem de ferro. Eles descobriram uma reorganização distinta da rede de discordâncias. No início, a zona plástica cresce linearmente com o comprimento de riscagem ao longo do caminho. Em seguida, a densidade de discordâncias diminui rapidamente após algum comprimento de reações de discordâncias. A atividade plástica então se concentra apenas na frente do risco. Apenas poucas discordâncias permanecem no meio do risco. Vacâncias nesta zona são criadas por reações de discordâncias. Também foi descoberto que defeitos pontuais vacâncias gerados por reações de discordâncias e geminação por deformação [88].

Processos de deslizamento em a arado dinâmico e b arado estático [19]

Para materiais policristalinos, o mecanismo de deformação foi mediado por nucleação de discordâncias no interior do grão, bem como discordâncias de fronteira de grão em material policristalino [43]. Enquanto a propagação de discordâncias está associada à formação de nanovazios e aglomerados intersticiais no caso de tamanho de grão maior, e a formação de gêmeos na fronteira de grão era dominante para aglomerados menores. Este comportamento foi atribuído à transição do movimento de discordâncias de suave (grão maior) para rugoso (grão menor) durante o processo de riscagem. Li concluiu ainda a diferença do mecanismo de deformação do material sobre Cu monocristalino, Cu policristalino e Cu policristalino NT. Os resultados mostram que a deformação plástica é principalmente afetada pela interação entre discordâncias durante o processo de riscagem em Cu monocristalino; enquanto para Cu policristalino, tanto discordâncias quanto FG dominam a deformação plástica; e a deformação plástica é controlada pelas interações da discordância, fronteira de grão (FG) e fronteira de gêmeo (FGm) acompanhada de geminação/desgeminação [25].

Além disso, muitos estudos focaram na simulação MD do processo TBN em materiais semicondutores, como silício, carboneto de silício, arseneto de gálio e nitreto de alumínio. Para investigar esses materiais frágeis, a transformação de fase também é um modo de deformação importante além do deslizamento de discordância [89]. A interação entre discordância e transformação de fase varia com a orientação cristalina. Os resultados indicam que antes do evento "Pop-In", o Si (010) sofre deformação inelástica acompanhada pela transformação de fase do Si-I para Si-III/Si-XII, o que não ocorre em Si (110) e Si (111). Enquanto a transformação de fase do Si-I para bct-5 é o mecanismo dominante de plasticidade incipiente para cada orientação cristalográfica, e a nucleação de discordâncias também é um modo de deformação operante na transição elástico-plástica do Si (010). Dai et al. investigaram o mecanismo de dano no subsuperfície no silício monocristalino durante o processo TBN. Verificou-se que a evolução das fases cristalinas é consistente com a distribuição de tensão hidrostática e temperatura [40]. SiC também é um tipo de material semicondutor importante, que tem propriedade similar ao silício. O processo de remoção de material SiC é alcançado através da transferência de fase de zinco blenda para estrutura amorfa com poucas estruturas de diamante hexagonal. Velocidade de riscagem mais alta gera mais átomos de estrutura amorfa, menos átomos de diamante hexagonal e menos átomos de discordância devido a maior impacto e menos tempo de rearranjo [90]. Enquanto Meng et al. descobriram que quando a transição de fase não é o mecanismo de deformação dominante, o método do coeficiente de Schmidt pode efetivamente prever o movimento de deslizamento do 3C-SiC durante o processo TBN (movimento de deslizamento elástico e movimento de deslizamento de discordância) [79]. Além disso, Meng et al. estudaram further sobre o efeito da taxa de deformação e calor no mecanismo de remoção de SiC. Eles descobriram que o efeito da taxa de deformação e o efeito de amolecimento térmico afetam diretamente a quantidade de remoção de material e a forma do dano no subsuperfície (SSD). A influência do efeito de amolecimento térmico na tensão na região de processamento sob condição de alta taxa de deformação excede a da diminuição na taxa de crescimento da velocidade de geração de discordâncias. O processo de remoção de SiC policristalino é dominado pela transição de fase amorfa. Além disso, vários átomos de estrutura de diamante hexagonal e discordâncias são encontrados nas FGs durante a riscagem. Velocidade de riscagem mais alta e maior profundidade de corte promovem mais átomos a transferirem para a estrutura amorfa devido a maior impacto [81]. Comparado com SiC monocristalino, a microestrutura no policristalino torna o SiC mais mole gerando menor força normal de riscagem e transição de fase de estrutura amorfa e SSD de deformação plástica induzida mais fina [91]. A análise de propagação de discordância e transição de fase pode explicar o mecanismo no processo de usinagem. No entanto, a maioria das pesquisas focou em materiais monocristalinos e materiais com estrutura complexa são raramente relatados, o que deve ser estudado further.

Direções Futuras de Pesquisa e Desafios

Atualmente, a pesquisa sobre o processo TBN através de simulação MD é amplamente relatada. No entanto, ainda existem algumas limitações a serem consideradas. Assim, direções futuras são discutidas nesta revisão.

1. (1)

   Com o desenvolvimento dos métodos TBN, algumas novas tecnologias foram propostas neste campo. Por exemplo, o processo de nanofresagem baseada em ponta AFM tem ampla perspectiva devido ao seu excelente desempenho de usinagem e propriedades de controle de tamanho [92, 93]. No entanto, o mecanismo de nanofresagem não foi totalmente compreendido devido à limitação do equipamento de detecção. Com o uso de simulação MD, é esperançoso que a variação da força de corte, a mudança dinâmica de defeitos e o estado de remoção de materiais da peça durante o processo de rotação da ponta. Além disso, o método de nanorriscagem assistida por vibração de amostra não foi relatado ainda. A abordagem de simulação MD poderia fornecer orientação significativa no estágio inicial.

2. (2)

   Devido à limitação das escalas de comprimento e tempo, os métodos MD ainda não podem descrever totalmente o processo experimental quantitativamente. Em alguns estudos combinando experimentos e simulações MD, a abordagem de simulação MD só poderia explicar qualitativamente os fenômenos experimentais [19, 20, 94]. Em particular, para alguns materiais dependentes do tempo como polímeros amorfos, a velocidade da sonda tem impacto significativo no estado de remoção de polímeros. Assim, para prever com precisão o processo experimental e analisar quantitativamente os resultados experimentais, a melhoria do algoritmo e da capacidade de computação é indispensável.

3. (3)

   Muitas nanoestruturas foram alcançadas em materiais poliméricos usando o método TBN [95,96,97]. Em particular, o processo de usinagem mecânica de materiais poliméricos baseado no método TBN mantém a carga normal constante para garantir a precisão das nanoestruturas usinadas [98]. No entanto, os relatórios de simulação MD de polímero em processo TBN são limitados até agora. Além disso, a litografia de sonda de varredura térmica está se desenvolvendo em polímero, que tem o potencial de melhorar a precisão de usinagem do processo TBN. É necessário revelar o mecanismo de remoção de material dos materiais poliméricos ao conduzir processo de nanorriscagem com efeito mecânico-térmico.

Conclusão

É inegável que a tecnologia de simulações MD desempenha um papel cada vez mais crucial no processo de nanousinagem para revelar fenômenos até então desconhecidos [99]. Esta revisão concluiu o progresso recente na simulação MD do método TBN, e os conteúdos acima são resumidos da seguinte forma:

1. (1)

   O estabelecimento de modelos MD de diversos materiais e funções de potencial relacionadas foram resumidos. Em particular, o processo de modelagem de materiais policristalinos nanotwined e polímeros amorfos foram discutidos nesta seção. A precisão dos modelos MD é de grande significado para os resultados de simulação subsequentes.

2. (2)

   As novas tecnologias dos métodos TBN, incluindo multi-riscagem, arado dinâmico e VANILA foram apresentadas. Com a ajuda da simulação MD, o mecanismo desses métodos poderia ser melhor compreendido. Em particular, a diferença essencial entre arado estático e arado dinâmico foi revelada pelo método MD nos aspectos de defeitos internos, morfologia e forças de corte.

3. (3)

   A análise de simulações MD no processo TBN, incluindo força de corte, estado de remoção de material e análise de defeitos também são resumidas. Além disso, alguns novos métodos de análise como análise de deslizamento também são apresentados. Com esses métodos, o mecanismo de processamento baseado na abordagem TBN é revisado, o que mostra a dependência dos materiais no processo de usinagem TBN.

Abreviações

TBN:

Nanomaquinação baseada em ponta (Tip-based nanomachining)

AFM:

Microscopia de força atômica (Atomic force microscopy)

MD:

Dinâmica molecular (Molecular dynamics)

NT:

Nanotwined

PE:

Polietileno (Polyethylene)

EAM:

Método de átomo embutido (Embedded atom method)

SW:

Stillinger-Weber

ABOP:

Potencial de ordem de ligação analítica (Analytical bond order potential)

REBO:

Ordem de ligação empírica reativa (Reactive Empirical Bond Order)

AIREBO:

Ordem de ligação empírica reativa intermolecular adaptativa (Adaptive Intermolecular Reactive Empirical Bond Order)

LAMMPS:

Simulador Paralelo Massivo Atômico/Molecular de Grande Escala (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)

MS:

Material Studio

OVITO:

Ferramenta de Visualização Aberta (Open Visualization Tool)

VMD:

Dinâmica Molecular Visual (Visual molecular dynamics)

VANILA:

Usinagem Nanoimpacto Assistida por Vibração com Abrasivos Soltos (Vibration-Assisted Nano Impact machining by Loose Abrasives)

SEM:

Microscópio eletrônico de varredura (Scanning electron microscope)

CNA:

Análise de vizinho comum (Common neighbor analysis)

CSP:

Parâmetro de centro-simetria (Centro-symmetry parameter)

DXA:

Algoritmo de extração de discordância (Dislocation extraction algorithm)

GB:

Fronteira de grão (Grain boundary)

TB:

Fronteira de gêmeo (Twin boundary)

SSD:

Dano no subsuperfície (Subsurface damage)