Theoretical and experimental results show that the performance of a load-bearing surface in hydrodynamic lubrication may be enhanced by engineering a definable surface texture onto the surface. These surface textures are in the form of protrusions (positive asperities) or cavities (negative asperities) of known size and geometry. The benefits of such surface textures include lower friction torque, higher load capacity and lower operating temperatures. This Thesis details a fabrication process to manufacture such surface textures/asperities on flat surfaces. The asperities are fabricated using a UV photolithography process followed by electroplating. A complete surface characterization is done to evaluate the effectiveness of the manufacturing process. From the characterization results, some errors in asperity geometry are identified and statistically quantified. These errors are found to be normally distributed and the random surface roughness is 1 to 3 orders of magnitude less than the deterministic feature size. The accuracy of the manufacturing process for fabricating the asperities was found to lie within 6.5 % of the desired value over all the errors studied. Finally, a sensitivity analysis is done to theoretically evaluate the effect of some of these errors in the hydrodynamic lubrication regime.

Com a evolução dos processos de fabricação, aumenta o emprego de topografias engenheiradas com o objetivo de aumentar o desempenho dessas superfícies sob vários aspectos. Apesar do bom desempenho comprovado em algumas aplicações, existem outras em que o desempenho é questionável, como, em condições não lubrificadas e com elevadas pressões de contato. Neste cenário de dúvidas sobre a utilização de superfícies engenheiradas, o presente trabalho objetiva contribuir com as discussões por meio de um estudo do efeito de topografias anisotrópicas na transferência de material e resistência ao movimento em condições de deslizamento a seco com deformação plástica micro e macroscópica. O método utilizado contempla ensaios tribológicos que consistem, basicamente, em deslizar um material sobre superfícies engenheiradas de outro material com maior dureza, em duas condições de deformação plástica: i/ localizada no pico das asperezas em contato (ensaio pino-sobre-disco) e ii/ volumétrica (ensaio de compressão do anel). Os resultados permitiram concluir que os mecanismos de desgaste podem ser reproduzidos nos dois ensaios. Com deformação plástica microscópica (pino-sobre-disco) constatou-se que: i/ os vales e cavidades da topografia atuam de forma a evitar o contato das partículas de desgaste com o corpo em deslizamento; e ii/ os maiores valores do coeficiente de atrito foram obtidos com a superfície com maior quantidade de cavidades, a mesma condição topográfica que apresentou maior área com transferência de material. Com deformações plásticas macroscópicas (ensaio de compressão do anel) constatou-se que os vales da topografia da ferramenta atuaram como bloqueios para o deslizamento do anel conformado, o que resultou num aumento do coeficiente de atrito e redução da transferência de material. / The evolution of manufacturing progresses increases the use of engineered surfaces, seeking the improvement of the overall performance of these surfaces. Despite the enhanced performance under some circumstances, uncertainties still exist in conditions such as unlubricated and high contact pressure conditions. This work aims contributing to these discussions by studding the effect of anisotropic topographies on the material transfer and resistance to movement under dry sliding conditions including micro and macroscopic plastic deformation. The method consisted of tribological tests by sliding a material against engineered surfaces of higher hardness. Tests were conducted under two plastic deformation conditions: i/ localized on surface asperities contact (pin-on-disc test) and ii/ volumetric (ring test). Results allowed concluding that wear mechanisms can be reproduced on both tests. Under microscopic plastic deformation (pin-on-disc test) it was possible to verify that: i/ grooves and cavities have contributed to avoid the contact between wear debris and sliding body; and ii/ the higher friction coefficient was obtained when testing the surface with high amount of cavities, a condition that presented the larger area of material transfer. Under macroscopic deformation (ring test), grooves from tool topography played the role of blocking the ring material sliding, increasing friction coefficient and decreasing material transfer.

Com a evolução dos processos de fabricação, aumenta o emprego de topografias engenheiradas com o objetivo de aumentar o desempenho dessas superfícies sob vários aspectos. Apesar do bom desempenho comprovado em algumas aplicações, existem outras em que o desempenho é questionável, como, em condições não lubrificadas e com elevadas pressões de contato. Neste cenário de dúvidas sobre a utilização de superfícies engenheiradas, o presente trabalho objetiva contribuir com as discussões por meio de um estudo do efeito de topografias anisotrópicas na transferência de material e resistência ao movimento em condições de deslizamento a seco com deformação plástica micro e macroscópica. O método utilizado contempla ensaios tribológicos que consistem, basicamente, em deslizar um material sobre superfícies engenheiradas de outro material com maior dureza, em duas condições de deformação plástica: i/ localizada no pico das asperezas em contato (ensaio pino-sobre-disco) e ii/ volumétrica (ensaio de compressão do anel). Os resultados permitiram concluir que os mecanismos de desgaste podem ser reproduzidos nos dois ensaios. Com deformação plástica microscópica (pino-sobre-disco) constatou-se que: i/ os vales e cavidades da topografia atuam de forma a evitar o contato das partículas de desgaste com o corpo em deslizamento; e ii/ os maiores valores do coeficiente de atrito foram obtidos com a superfície com maior quantidade de cavidades, a mesma condição topográfica que apresentou maior área com transferência de material. Com deformações plásticas macroscópicas (ensaio de compressão do anel) constatou-se que os vales da topografia da ferramenta atuaram como bloqueios para o deslizamento do anel conformado, o que resultou num aumento do coeficiente de atrito e redução da transferência de material. / The evolution of manufacturing progresses increases the use of engineered surfaces, seeking the improvement of the overall performance of these surfaces. Despite the enhanced performance under some circumstances, uncertainties still exist in conditions such as unlubricated and high contact pressure conditions. This work aims contributing to these discussions by studding the effect of anisotropic topographies on the material transfer and resistance to movement under dry sliding conditions including micro and macroscopic plastic deformation. The method consisted of tribological tests by sliding a material against engineered surfaces of higher hardness. Tests were conducted under two plastic deformation conditions: i/ localized on surface asperities contact (pin-on-disc test) and ii/ volumetric (ring test). Results allowed concluding that wear mechanisms can be reproduced on both tests. Under microscopic plastic deformation (pin-on-disc test) it was possible to verify that: i/ grooves and cavities have contributed to avoid the contact between wear debris and sliding body; and ii/ the higher friction coefficient was obtained when testing the surface with high amount of cavities, a condition that presented the larger area of material transfer. Under macroscopic deformation (ring test), grooves from tool topography played the role of blocking the ring material sliding, increasing friction coefficient and decreasing material transfer.