Made available in DSpace on 2014-06-11T19:28:20Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-01-18Bitstream added on 2014-06-13T18:57:24Z : No. of bitstreams: 1 bukvic_g_me_bauru.pdf: 10769904 bytes, checksum: 62e0300f452d06ec5fe503cb8b56d8d5 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A usinagem de cerâmicas avançadas geralmente é feita com o objetivo de corrigir as deformações após a etapa de sinterização, conferir precisão dimensional e qualidade superficial. Para cumprir esta tarefa é utilizada, principalmente, a retificação com rebolo de diamante sob baixas taxas de remoção de material. O torneamento com ferramenta de diamante pode ser aplicado para a maioria das cerâmicas, mas esbarram em condições limites de remoção de material, como profundidade de corte nanamétricas, que se ultrapassadas mudam o regime de remoção de dúctil para frágil. Uma alternativa é a usinagem da peça no estado verde, a qual apresenta fácil usinagem com a diminuição da introdução de defeitos prejudiciais à resistência mecânica. Após a sinterização invariavelmente ocorrem distorções devido à distribuição heterogênea de gradientes de densidade que se localizam nas porções mais externas do compactado. Na tentativa de remover estes gradientes, o presente trabalho analisou a influência da remoção de sobrematerial no estado verde na distorção da peça após a sinterização. Corpos-de-prova de alumina, com 99,8% de pureza, foram torneados com sobremateriais de 1,0, 2,0 3,0, 4,0 e 5,0 mm por uma ferramenta de metal duro sob condições constantes de usinagem. Além da distorção, outras variáveis de saída foram analisadas, com desgaste de ferramenta, força de corte (Fc) e rugosidade média aritmética (Ra) do compactado em verde e sinterizado. Os resultados apontam uma redução da distorção da peça sinterizada de até 81,4% com o maior valor de remoção de sobrematerial em verde e a influência do desgaste da ferramenta na rugosidade da peça em verde e na correspondente peça sinterizada / Advanced ceramics machining is generally done with the objective of correcting distortions in pieces after sintering. In order to comply with this task grinding with a diamond grinding wheel is mainly used with low material removal rates. Turning can be done diamong tool to most of the ceramics, but is runs into very narrow material removal limit conditions, as nanometric cutting depths, which if exceeded change the removal system from ductile to brittle. An alternative is machining the piece on the green state, which presents easy machining without the introduction of harmful defects to mechanical resitance. However, after sintering there are invariably distortions caused by the heterogeneous distribution of density gradients that are located in the most outlying portions of the compacted. In an attempt to remove these gradients, this study examined the influence of different allowance values removed and the corresponding distortion after sintering. Alumina speciments are used for this procedure, with 99,8% purity, from which allowances of 1.0,2.0,3.0,4.0, 5.0 mm are removed by turning with a cermented carbine tool under constant machining conditions. Besides distortion, other output variables were analyzed, such as tool wear, cutting force and surface roughness of the green ceramics and the sintered. The results presents a reduction of the distortion of the sintered piece of 81,4% with the greater allowance removal values and the influence of tool wear on the green machining surface roughness and on the corresponding sintered piece

Este trabalho trata da usinagem em verde aplicada ao projeto de corpos cerâmicos, quanto a sua morfologia e propriedades requeridas e inclui estratégia de usinagem para seleção do processo, parâmetros de corte e ferramentas. A usinagem em verde é uma técnica estruturada na filosofia do near-net-shape e vem sendo amplamente aplicada na fabricação de peças cerâmicas de formatos variados e complexos, a exemplo de implantes ósseos. Por ser aplicada em compactos de baixa resistência mecânica exige precauções e controle sobre as forças aplicadas na usinagem. O trabalho objetiva a elaboração de uma matriz de decisão para estratégia de usinagem em verde para a seleção e tomada de decisões, que baseada em um produto, possa direcionar aspectos relativos à formulação de ligantes cerâmicos, tratamentos pós-conformação, ferramentas, equipamentos e parâmetros de usinagem. Foram preparados grânulos de aluminas, baseados em ligantes PVAl, PVB e acrílicos B-1022 e B-1007, compactados na forma de cilindros, blocos e de cones. Na usinagem foram empregadas ferramentas com abrasivos de diamante, CBN e alumina eletrofundida com ligante metálico, resinoide e vitrificado. Operações representativas da usinagem foram selecionadas e aplicadas na geração de cilindros, barras e furos. Seletivamente foram realizadas medidas de torque de usinagem e forças tangenciais desenvolvidas durante o corte em verde. A resistência mecânica à flexão foi medida em verde e após sinterização, enquanto a rugosidade foi medida após a sinterização. Os resultados mostram uma forte correlação entre resistência em verde dos compactados brutos e esforços de corte e foram observadas particularidades para cada ligante cerâmico aplicado e para cada tipo de abrasivo e ligante utilizado nas ferramentas. Como melhores resultados, de peças usinadas com rebolo de alumina eletrofundida, foram encontradas resistência mecânica em verde de 7,8 MPa em peças com ligante acrílico B-1022, resistência mecânica após sinterização de 342,6 MPa em peças com ligante de PVB, potência consumida de 192,2 W em peças com ligante PVAl, rugosidade de 0,761 μm em peças com o ligante acrílico B-1007, e com ferramenta de diamante uma força de corte de 0,222 N foi obtida em peças com ligante PVAl. É concluído que há um forte compromisso entre todas as variáveis estudadas e que o formato e dimensão do produto, bem como seu acabamento e propriedades requeridas, podem ser fortemente influenciadas pelas condições do compactado e da usinagem empregada. Como solução mais notável, se tem o uso do ligante acrílico B-1007 prensado a 200 MPa, ferramenta com abrasivo de diamante de granulometria #80 mesh com ligante metálico, onde foi observado o compromisso de alta resistência em verde (para suportar os esforços), baixo empastamento de rebolo, baixa força de corte, baixa potência consumida, acabamento superficial e integridade das bordas. A matriz de decisão para estratégia de usinagem em verde desenvolvida foi aplicada na fabricação de um implante dentário conceitual free-form e foi validada pelo sucesso da obtenção desta peça. / This paper deals with the green machining applied to the project of ceramic parts, specifically with its morphology and required properties and includes machining strategy to the selection of the process, cutting parameters and tools. Green machining is a structured near-net-shape technique philosophy and has widely been applied in the ceramic parts manufacturing with varied and complex shapes such as bone implants. For being applied in low mechanical strength compacts parts it requires precautions and control over the forces used during the machining process. This work aims the development of a decision matrix for a machining green strategy to provide a selection and a decision-making that, based on a product, will direct aspects relating to the ceramic binders formulation, post-forming treatments, tools, required equipment and machining parameters. Alumina granules were prepared based on binders such as PVAl, PVB, acrylics B-1022 and B-1007, compacted in the form of cylinders, blocks and cones. In the machining itself it was applied tools with diamond, CBN and eletrofused alumina abrasives with metal, resinoid and vitrified binders. Representing machining operations were selected and applied in order to form cylinders, bars and holes. Were made selectively measures of machining torque and tangential forces, developed during the green cutting. The flexural mechanical strength was measured in green and after sintering while the surface roughness was measured after the sintering. The results demonstrate a strong correlation between only the green strength of the rough compacted parts and the cutting forces and it was observed the particularities of each ceramic binder applied and each kind of the abrasive and binder used in the tools. As best results, machining using eletrofused alumina grinding wheel obtained green strength up to 7.8 MPa in parts with B-1022 acrylic binder, mechanical strength after sintering up to 342.6 MPa in parts with PVB binder, power consumption up to 192.2 W in parts with PVAl binder, surface roughness up to 0.761 μm in parts with B-1007 acrylic binder and with diamond tool a cutting force up to 0,222 N was obtained in parts with PVAl binder. As a conclusion, it can be said that there is a strong commitment between all the studied variables and the format and size of the product, as well as its finishing and required properties can be strongly influenced by the conditions of the compacted parts and the machining used. The most remarkable solution, has been the use of B-1007 acrylic binder compacted at 200 MPa, diamond abrasive tool with grain size of #80 mesh with metal binder, where was observed a high green strength commitment (to withstand the stresses), low grinding wheel clogging, low cutting force, low power consumption, surface finishing and edges integrity. The developed decision matrix for the strategy of a green machining was applied for a free-form conceptual dental implant manufacturing and has been validated by the obtainment of this part with success.

O presente trabalho trata do projeto e da fabricação de uma mini máquina para usinagem de esferas cerâmicas verdes. Esferas de cerâmicas avançadas encontram grande aplicação em componentes de alta precisão como rolamentos híbridos ou como a cabeça de próteses de quadril. A grande demanda pelas esferas de cerâmicas avançadas nesses componentes se deve à combinação única de suas propriedades tais como: alta estabilidade dimensional, alta dureza, baixo coeficiente de expansão térmica, biocompatibilidade (bioinerte) e alta resistência mecânica à compressão. No entanto o alto desempenho só será alcançado se as esferas tiverem tolerâncias estreitas (dimensão e forma) e acabamento superficial ultrafino. Esse trabalho objetiva o projeto e a fabricação de um protótipo de mini máquina para usinagem de esferas cerâmicas prensadas de até 30 mm de diâmetro. O desenvolvimento do projeto foi dirigido por uma metodologia de projeto mecânico e após definição do conceito foi gerado um pré-projeto virtual seguido da fabricação de um protótipo, o conceito é composto por três rebolos, sendo dois de arraste que, tendo velocidades e direções de giro variáveis, promovem a variação do eixo de giro das esferas, parâmetro necessário para atingir baixo desvio de esfericidade. Blanks esféricos em zircônia foram conformados por prensagem isostática e usinados no protótipo construído. As esferas passaram pela caracterização metrológica através da medição de esfericidade, circularidade e acabamento superficial. / This work deals with the design and manufacturing of a mini machine for grinding of green ceramic balls. Balls of advanced ceramics find wide application in high-precision components such as hybrid bearings or as bearings of hip prostheses. The large demand for advanced ceramic balls in these components is due to their unique combination of properties such as high dimensional stability, high hardness, low coefficient of thermal expansion, biocompatibility (bio inert) and high compressive strength. However the high performance can only be achieved if the balls have narrow tolerances (size and shape) and ultra-fine surface finish. This work aims to design and manufacture a mini prototype machine to obtain a green ceramic balls up to 30 mm in diameter. The project development was driven by a mechanical design methodology and after the concept generation a virtual pre-design has been generated followed by manufacturing a prototype, the initial concept is composed of three wheels, two of drag that having variables turning speeds and directions, promote a random orbital effect in the balls necessary to reduce the sphericity error. Spherical zirconia blanks were shaped by isostatic pressing and machined in the built prototype. The balls were characterized by measuring sphericity error and surface roughness.

O estudo trata da medição da força de usinagem a verde de corpos de provas cerâmicos e sua correlação com as propriedades mecânicas após a sinterização. A usinagem a verde é empregada em compactos brutos para conferir formatos sem extremo compromisso com precisão dimensional ou para obter uma pré-forma antes da usinagem de acabamento após sinterização; é extensivamente empregada na usinagem de cerâmicas avançadas. Durante o processo de usinagem a verde os esforços de corte determinam a introdução de defeitos críticos na superfície e são geralmente estes defeitos que governam as propriedades mecânicas das cerâmicas após a sinterização. O trabalho objetiva a elaboração e montagem de um sistema de aquisição de dados das forças de usinagem, e procura identificar o limite de agressividade de corte na manutenção da integridade do corpo de prova com produção econômica. As medidas de torque de usinagem e velocidade periférica do rebolo podem representar um modelo para predizer a associação das forças de usinagem. Corpos de prova cilíndricos foram conformados a 100 e 200 MPa, tratados termicamente após a prensagem e usinados com diferentes parâmetros de corte, sinterizados e ensaiados quanto à resistência mecânica através de compressão e flexão a quatro pontos. Os resultados mostraram a importância do tratamento térmico antes da usinagem acima da temperatura de transição vítrea do ligante para peças prensadas a 100 e 200 MPa. Peças prensadas a 200 MPa e tratadas termicamente foram usinadas sem danos a taxas de remoção de 10.000 \'MM POT.3\'/min com potencia consumida de 1700 W. Com o emprego de um cabeçote com mancais aerostáticos de alta potência e baixo ruído não se detectou a introdução progressiva de defeitos críticos na superfície devido à ação do rebolo, porém se identificou um limite de velocidade de 400 mm/min em função da profundidade de corte que excedeu a resistência mecânica dos corpos de prova comprimidos a 100 MPa, levando a ruptura. A correlação entre potência consumida e taxa de remoção, forneceu informações muito importantes para o projeto de uma máquina de usinagem á verde de produtos cerâmicos em alumina. / The present study deals with the measurement forces of green machining ceramics and their correlation with the mechanical properties after sintering. The green machining is employed in crude compacts either to check raw formats without compromising the extreme dimensional accuracy or to obtain a preform prior to finish machining after sintering, extensively used in the machining of advanced ceramics. During the process of the green machining, cutting forces determine the introduction of the critical defects in the surface, which generally govern the mechanical properties after the sintering of ceramics. The study aims at the development and installation of a system of machining forces data acquisition and also the identification of the limit of cutting aggression to maintain the integrity of the ceramics with economic production. The torque measurements of machining and grinding wheel peripheral speed can represent a model to predict the association of the machining forces. Cylindrical bodies were conformed at 100 and 200 MPa, heat-treated after pressing and machined with different cutting parameters, sintered and tested concerning strength by compression and bending at four points. The results showed the importance of the heat treatment before machining above the glass transition temperature of the binder for the parts pressed at 100 and 200 MPa. Parts pressed at 200 MPa and heat-treated were machined without damage at 10.000 \'MM POT.3\'/min removal rates with power consumption of 1700 W. With the use of a spindle with aerostatic bearings for high power and low noise the gradual introduction of critical defects into the surface was not detected due to the action of the wheel. However a speed limit was identified in function of the depth of the cut, which exceeded the strength of the ceramics compressed at 100 MPa, leading to rupture. The correlation between power consumption and rate of removal provided very important information for the design of a green machining of ceramic products in alumina.

Este trabalho trata da usinagem em verde aplicada ao projeto de corpos cerâmicos, quanto a sua morfologia e propriedades requeridas e inclui estratégia de usinagem para seleção do processo, parâmetros de corte e ferramentas. A usinagem em verde é uma técnica estruturada na filosofia do near-net-shape e vem sendo amplamente aplicada na fabricação de peças cerâmicas de formatos variados e complexos, a exemplo de implantes ósseos. Por ser aplicada em compactos de baixa resistência mecânica exige precauções e controle sobre as forças aplicadas na usinagem. O trabalho objetiva a elaboração de uma matriz de decisão para estratégia de usinagem em verde para a seleção e tomada de decisões, que baseada em um produto, possa direcionar aspectos relativos à formulação de ligantes cerâmicos, tratamentos pós-conformação, ferramentas, equipamentos e parâmetros de usinagem. Foram preparados grânulos de aluminas, baseados em ligantes PVAl, PVB e acrílicos B-1022 e B-1007, compactados na forma de cilindros, blocos e de cones. Na usinagem foram empregadas ferramentas com abrasivos de diamante, CBN e alumina eletrofundida com ligante metálico, resinoide e vitrificado. Operações representativas da usinagem foram selecionadas e aplicadas na geração de cilindros, barras e furos. Seletivamente foram realizadas medidas de torque de usinagem e forças tangenciais desenvolvidas durante o corte em verde. A resistência mecânica à flexão foi medida em verde e após sinterização, enquanto a rugosidade foi medida após a sinterização. Os resultados mostram uma forte correlação entre resistência em verde dos compactados brutos e esforços de corte e foram observadas particularidades para cada ligante cerâmico aplicado e para cada tipo de abrasivo e ligante utilizado nas ferramentas. Como melhores resultados, de peças usinadas com rebolo de alumina eletrofundida, foram encontradas resistência mecânica em verde de 7,8 MPa em peças com ligante acrílico B-1022, resistência mecânica após sinterização de 342,6 MPa em peças com ligante de PVB, potência consumida de 192,2 W em peças com ligante PVAl, rugosidade de 0,761 μm em peças com o ligante acrílico B-1007, e com ferramenta de diamante uma força de corte de 0,222 N foi obtida em peças com ligante PVAl. É concluído que há um forte compromisso entre todas as variáveis estudadas e que o formato e dimensão do produto, bem como seu acabamento e propriedades requeridas, podem ser fortemente influenciadas pelas condições do compactado e da usinagem empregada. Como solução mais notável, se tem o uso do ligante acrílico B-1007 prensado a 200 MPa, ferramenta com abrasivo de diamante de granulometria #80 mesh com ligante metálico, onde foi observado o compromisso de alta resistência em verde (para suportar os esforços), baixo empastamento de rebolo, baixa força de corte, baixa potência consumida, acabamento superficial e integridade das bordas. A matriz de decisão para estratégia de usinagem em verde desenvolvida foi aplicada na fabricação de um implante dentário conceitual free-form e foi validada pelo sucesso da obtenção desta peça. / This paper deals with the green machining applied to the project of ceramic parts, specifically with its morphology and required properties and includes machining strategy to the selection of the process, cutting parameters and tools. Green machining is a structured near-net-shape technique philosophy and has widely been applied in the ceramic parts manufacturing with varied and complex shapes such as bone implants. For being applied in low mechanical strength compacts parts it requires precautions and control over the forces used during the machining process. This work aims the development of a decision matrix for a machining green strategy to provide a selection and a decision-making that, based on a product, will direct aspects relating to the ceramic binders formulation, post-forming treatments, tools, required equipment and machining parameters. Alumina granules were prepared based on binders such as PVAl, PVB, acrylics B-1022 and B-1007, compacted in the form of cylinders, blocks and cones. In the machining itself it was applied tools with diamond, CBN and eletrofused alumina abrasives with metal, resinoid and vitrified binders. Representing machining operations were selected and applied in order to form cylinders, bars and holes. Were made selectively measures of machining torque and tangential forces, developed during the green cutting. The flexural mechanical strength was measured in green and after sintering while the surface roughness was measured after the sintering. The results demonstrate a strong correlation between only the green strength of the rough compacted parts and the cutting forces and it was observed the particularities of each ceramic binder applied and each kind of the abrasive and binder used in the tools. As best results, machining using eletrofused alumina grinding wheel obtained green strength up to 7.8 MPa in parts with B-1022 acrylic binder, mechanical strength after sintering up to 342.6 MPa in parts with PVB binder, power consumption up to 192.2 W in parts with PVAl binder, surface roughness up to 0.761 μm in parts with B-1007 acrylic binder and with diamond tool a cutting force up to 0,222 N was obtained in parts with PVAl binder. As a conclusion, it can be said that there is a strong commitment between all the studied variables and the format and size of the product, as well as its finishing and required properties can be strongly influenced by the conditions of the compacted parts and the machining used. The most remarkable solution, has been the use of B-1007 acrylic binder compacted at 200 MPa, diamond abrasive tool with grain size of #80 mesh with metal binder, where was observed a high green strength commitment (to withstand the stresses), low grinding wheel clogging, low cutting force, low power consumption, surface finishing and edges integrity. The developed decision matrix for the strategy of a green machining was applied for a free-form conceptual dental implant manufacturing and has been validated by the obtainment of this part with success.

Ceramics can highly withstand the environments of high temperature and serious erosion, it completely substitutes for alloys which reach their specific limitations. Turbine rotor operates in the compressed stage with temperature over thousand Celsius degrees; it must rely on excellent properties of ceramics to elevate the durability and lifetime. To manufacture complex ceramic component before, industry usually uses near net shaping or rapid prototyping (RP) processes. A manufacturing process based on machining green ceramic turbine component is presented here. Initially, formulating a series of machining experiments for green ceramics to verify the idea of thesis, and analyzing the probability of Al2O3 ceramic as a turbine material. Firstly, it needs to check the machinability of green ceramic by face milling. Secondly, point milling the normal plate of green compact and the plate with analogical blade geometry to find a set of usable machining parameters (such as revolution speed, feed rate, step over and cutting depth); meanwhile, addressing machining amendment by observing the final conditions of specific geometric characteristics on workpiece. Finally, try to machining green ceramic turbine successfully applying the above parameters.

Orientador: Luiz Eduardo de Angelo Sanchez / Banca: Carlos Alberto Fortulan / Banca: Gilberto de Magalhães Bento Gonçalves / Resumo: A usinagem de cerâmicas avançadas geralmente é feita com o objetivo de corrigir as deformações após a etapa de sinterização, conferir precisão dimensional e qualidade superficial. Para cumprir esta tarefa é utilizada, principalmente, a retificação com rebolo de diamante sob baixas taxas de remoção de material. O torneamento com ferramenta de diamante pode ser aplicado para a maioria das cerâmicas, mas esbarram em condições limites de remoção de material, como profundidade de corte nanamétricas, que se ultrapassadas mudam o regime de remoção de dúctil para frágil. Uma alternativa é a usinagem da peça no estado verde, a qual apresenta fácil usinagem com a diminuição da introdução de defeitos prejudiciais à resistência mecânica. Após a sinterização invariavelmente ocorrem distorções devido à distribuição heterogênea de gradientes de densidade que se localizam nas porções mais externas do compactado. Na tentativa de remover estes gradientes, o presente trabalho analisou a influência da remoção de sobrematerial no estado verde na distorção da peça após a sinterização. Corpos-de-prova de alumina, com 99,8% de pureza, foram torneados com sobremateriais de 1,0, 2,0 3,0, 4,0 e 5,0 mm por uma ferramenta de metal duro sob condições constantes de usinagem. Além da distorção, outras variáveis de saída foram analisadas, com desgaste de ferramenta, força de corte (Fc) e rugosidade média aritmética (Ra) do compactado em verde e sinterizado. Os resultados apontam uma redução da distorção da peça sinterizada de até 81,4% com o maior valor de remoção de sobrematerial em verde e a influência do desgaste da ferramenta na rugosidade da peça em verde e na correspondente peça sinterizada / Abstract: Advanced ceramics machining is generally done with the objective of correcting distortions in pieces after sintering. In order to comply with this task grinding with a diamond grinding wheel is mainly used with low material removal rates. Turning can be done diamong tool to most of the ceramics, but is runs into very narrow material removal limit conditions, as nanometric cutting depths, which if exceeded change the removal system from ductile to brittle. An alternative is machining the piece on the green state, which presents easy machining without the introduction of harmful defects to mechanical resitance. However, after sintering there are invariably distortions caused by the heterogeneous distribution of density gradients that are located in the most outlying portions of the compacted. In an attempt to remove these gradients, this study examined the influence of different allowance values removed and the corresponding distortion after sintering. Alumina speciments are used for this procedure, with 99,8% purity, from which allowances of 1.0,2.0,3.0,4.0, 5.0 mm are removed by turning with a cermented carbine tool under constant machining conditions. Besides distortion, other output variables were analyzed, such as tool wear, cutting force and surface roughness of the green ceramics and the sintered. The results presents a reduction of the distortion of the sintered piece of 81,4% with the greater allowance removal values and the influence of tool wear on the green machining surface roughness and on the corresponding sintered piece / Mestre

O estudo trata da medição da força de usinagem a verde de corpos de provas cerâmicos e sua correlação com as propriedades mecânicas após a sinterização. A usinagem a verde é empregada em compactos brutos para conferir formatos sem extremo compromisso com precisão dimensional ou para obter uma pré-forma antes da usinagem de acabamento após sinterização; é extensivamente empregada na usinagem de cerâmicas avançadas. Durante o processo de usinagem a verde os esforços de corte determinam a introdução de defeitos críticos na superfície e são geralmente estes defeitos que governam as propriedades mecânicas das cerâmicas após a sinterização. O trabalho objetiva a elaboração e montagem de um sistema de aquisição de dados das forças de usinagem, e procura identificar o limite de agressividade de corte na manutenção da integridade do corpo de prova com produção econômica. As medidas de torque de usinagem e velocidade periférica do rebolo podem representar um modelo para predizer a associação das forças de usinagem. Corpos de prova cilíndricos foram conformados a 100 e 200 MPa, tratados termicamente após a prensagem e usinados com diferentes parâmetros de corte, sinterizados e ensaiados quanto à resistência mecânica através de compressão e flexão a quatro pontos. Os resultados mostraram a importância do tratamento térmico antes da usinagem acima da temperatura de transição vítrea do ligante para peças prensadas a 100 e 200 MPa. Peças prensadas a 200 MPa e tratadas termicamente foram usinadas sem danos a taxas de remoção de 10.000 \'MM POT.3\'/min com potencia consumida de 1700 W. Com o emprego de um cabeçote com mancais aerostáticos de alta potência e baixo ruído não se detectou a introdução progressiva de defeitos críticos na superfície devido à ação do rebolo, porém se identificou um limite de velocidade de 400 mm/min em função da profundidade de corte que excedeu a resistência mecânica dos corpos de prova comprimidos a 100 MPa, levando a ruptura. A correlação entre potência consumida e taxa de remoção, forneceu informações muito importantes para o projeto de uma máquina de usinagem á verde de produtos cerâmicos em alumina. / The present study deals with the measurement forces of green machining ceramics and their correlation with the mechanical properties after sintering. The green machining is employed in crude compacts either to check raw formats without compromising the extreme dimensional accuracy or to obtain a preform prior to finish machining after sintering, extensively used in the machining of advanced ceramics. During the process of the green machining, cutting forces determine the introduction of the critical defects in the surface, which generally govern the mechanical properties after the sintering of ceramics. The study aims at the development and installation of a system of machining forces data acquisition and also the identification of the limit of cutting aggression to maintain the integrity of the ceramics with economic production. The torque measurements of machining and grinding wheel peripheral speed can represent a model to predict the association of the machining forces. Cylindrical bodies were conformed at 100 and 200 MPa, heat-treated after pressing and machined with different cutting parameters, sintered and tested concerning strength by compression and bending at four points. The results showed the importance of the heat treatment before machining above the glass transition temperature of the binder for the parts pressed at 100 and 200 MPa. Parts pressed at 200 MPa and heat-treated were machined without damage at 10.000 \'MM POT.3\'/min removal rates with power consumption of 1700 W. With the use of a spindle with aerostatic bearings for high power and low noise the gradual introduction of critical defects into the surface was not detected due to the action of the wheel. However a speed limit was identified in function of the depth of the cut, which exceeded the strength of the ceramics compressed at 100 MPa, leading to rupture. The correlation between power consumption and rate of removal provided very important information for the design of a green machining of ceramic products in alumina.

O presente trabalho trata do projeto e da fabricação de uma mini máquina para usinagem de esferas cerâmicas verdes. Esferas de cerâmicas avançadas encontram grande aplicação em componentes de alta precisão como rolamentos híbridos ou como a cabeça de próteses de quadril. A grande demanda pelas esferas de cerâmicas avançadas nesses componentes se deve à combinação única de suas propriedades tais como: alta estabilidade dimensional, alta dureza, baixo coeficiente de expansão térmica, biocompatibilidade (bioinerte) e alta resistência mecânica à compressão. No entanto o alto desempenho só será alcançado se as esferas tiverem tolerâncias estreitas (dimensão e forma) e acabamento superficial ultrafino. Esse trabalho objetiva o projeto e a fabricação de um protótipo de mini máquina para usinagem de esferas cerâmicas prensadas de até 30 mm de diâmetro. O desenvolvimento do projeto foi dirigido por uma metodologia de projeto mecânico e após definição do conceito foi gerado um pré-projeto virtual seguido da fabricação de um protótipo, o conceito é composto por três rebolos, sendo dois de arraste que, tendo velocidades e direções de giro variáveis, promovem a variação do eixo de giro das esferas, parâmetro necessário para atingir baixo desvio de esfericidade. Blanks esféricos em zircônia foram conformados por prensagem isostática e usinados no protótipo construído. As esferas passaram pela caracterização metrológica através da medição de esfericidade, circularidade e acabamento superficial. / This work deals with the design and manufacturing of a mini machine for grinding of green ceramic balls. Balls of advanced ceramics find wide application in high-precision components such as hybrid bearings or as bearings of hip prostheses. The large demand for advanced ceramic balls in these components is due to their unique combination of properties such as high dimensional stability, high hardness, low coefficient of thermal expansion, biocompatibility (bio inert) and high compressive strength. However the high performance can only be achieved if the balls have narrow tolerances (size and shape) and ultra-fine surface finish. This work aims to design and manufacture a mini prototype machine to obtain a green ceramic balls up to 30 mm in diameter. The project development was driven by a mechanical design methodology and after the concept generation a virtual pre-design has been generated followed by manufacturing a prototype, the initial concept is composed of three wheels, two of drag that having variables turning speeds and directions, promote a random orbital effect in the balls necessary to reduce the sphericity error. Spherical zirconia blanks were shaped by isostatic pressing and machined in the built prototype. The balls were characterized by measuring sphericity error and surface roughness.

O presente trabalho trata da manufatura direta de implantes de hidroxiapatita mediante a técnica de prototipagem rápida. A hidroxiapatita proveniente de estrutura óssea mineral bovina possui grande importância dentre os biomateriais devido a sua biocompatibilidade e grande similaridade com a estrutura óssea humana. A prototipagem rápida permite a obtenção de modelos com dimensões e formato miméticos ao do defeito ósseo do paciente e possibilita a obtenção de implantes com porosidade desejada e geometria complexas. Este trabalho tem como objetivo o estudo da obtenção de implantes por três diferentes técnicas de prototipagem rápida: usinagem a verde, 3DPrint e uma inovadora técnica de prototipagem rápida obtida pela polimerização da resina acrílica (fase líquida da barbotina) por luz ultravioleta presente em uma faixa da banda do espectro de luz emitido pelo laser azul (SLB). A diminuta pressão de conformação, típicas das técnicas de prototipagem rápida aditiva, exige pós altamente reativos para efetiva sinterização, dessa forma a hidroxiapatita obtida a partir do fêmur bovino foi calcinada e moída em moinhos de bolas e vibratório na busca de pós submicrométricos. A usinagem a verde de compactados foi considerada como padrão ouro da manufatura e foi aplicada para obtenção de corpos de prova cilíndricos, previamente conformados por prensagem isostática a 100 e 200 MPa e ensaiados por densificação, flexão, dureza e tenacidade à fratura. Introdução de partículas de alumina e whiskers de alumina foram ensaiados na busca de otimização das propriedades mecânicas. Para prototipagem rápida pelo método de SLB, misturas de hidroxiapatita e resina foram submetidas à emissão do laser azul com percurso direcionado em equipamento CNC, onde peças tridimensionais foram prototipadas e sinterizadas. A hidroxiapatita proveniente do osso bovino apresentou características de íons substitucionais de carbonato e após moagens em moinho de bolas seguido de vibratório foi obtida partículas de diâmetro médio equivalente de 0,35 µm que se mostraram reativas para promoção da sinterização. A sinterização a 1300 ºC-2h forneceu as melhores características cristalográfica e de propriedades mecânicas, resultando em corpos referências com hidroxiapatita sem decomposição em outros fosfatos de cálcio com 99,8 % da densidade, resistência mecânica à flexão de 100 MPa, dureza de 483 HV e tenacidade à fratura de 0,6 MPa.m1/2. A introdução de 1 vol% de alumina e whiskers de alumina elevaram a resistência mecânica do corpo para aproximadamente 140 MPa com tenacidade de 0,61 MPa.m1/2. Para a técnica 3DPrint aglomerados esféricos da composição cerâmica deve ter dimensões entre as malhas de 200 e 400 mesh (75 a 38 µm) e o binder deve ter resistividade superior à 290 kΩ, componentes reativos, emolientes, lubrificantes e estabilizantes. Na manufatura pela técnica SLB a incidência do laser com fluência de 170 mW.s/mm2 promoveu a cura da resina no diâmetro de 0,5 mm e profundidade próxima a 0,5 mm o que, permitiu a prototipagem de scaffolds com camadas de espessura de 0,5 mm resistente ao manuseio para remoção da barbotina não curada. / The study deals with the direct manufacturing of hydroxyapatite implants using rapid prototyping. Hydroxyapatite structure originated from bovine mineral bone has great importance among the biomaterials and biocompatibility due to its great similarity with the human bone structure. Rapid prototyping allows obtaining models with dimensions and shaping mimetics to the patient\'s bone defect and enables the achievement of implants with complex geometry and porosity desired. This study aims to obtain scaffolds for three rapid prototyping techniques: the green machining, 3DPrint and an innovative rapid prototyping technique, obtained by polymerization of acrylic resin (liquid phase of slurry) by ultraviolet light present in a range of the spectrum band a blue light emitted by the laser (SLB). The small conformation pressure, typical of additive rapid prototyping techniques requires highly reactive powders for effective sintering, and then hydroxyapatite obtained from bovine femur was calcined and milled in ball mill and vibratory mill for obtention of sub micrometrics powders. The green machining was considered as the standard of mechanical properties and was used to obtain cylindrical specimens, previously shaped by isostatic pressing at 100 and 200 MPa, and tested by densification, bending, hardness and toughness fracture. Introduction of particles of alumina and alumina whiskers were tested in search engine optimization of the mechanical properties. For rapid prototyping by the method of SLB, mixtures of hydroxyapatite and resin were subjected to blue laser emission directed in CNC equipment where three-dimensional pieces were prototyped and sintered. Hydroxyapatite derived from bovine bone showed characteristics of substitutional carbonate ions and non-stoichiometry, after grinding in a ball mill followed by vibratory mill, particles obtained was equivalent average diameter of 0.35 micrometers that proved reactive to promote sintering. Sintering at 1300 °C-2h gave the best crystallographic characteristics and mechanical properties, resulting in references bodies with hydroxyapatite without decomposition of other calcium phosphates with 99.8 % of density, flexural strength of 100 MPa, hardness of 483 HV and fracture toughness of 0.6 MPa.m1/2. The introduction of 1 vol% alumina and alumina whiskers increased the mechanical strength of the body with approximately 140 MPa and toughness fracture of 0.61 MPa.m1/2. For technical 3DPrint spherical agglomerates of ceramic composition should have dimensions between 200 and 400 mesh (75-38 µm) and the binder should have resistivity higher than 290 kΩ and components reactive, emollients, lubricants and stabilizers. In the manufacturing technique SLB incidence of the laser with a fluency of 170 mW.s/mm2 promoted curing of the resin of 0.5 mm in diameter and depth about 0.5 mm, which enabled the prototyping of scaffolds with thick layers 0.5 mm resistant to handle for removal of slurry uncured.