Thesis (M.Eng.Sc.) - University of Queensland, 2005. / Includes bibliography.

The diploma´s thesis deals with cutting beams technologies. It shows the current knowledge of these cutting methods, their possibilities and applications. The practical part rates benefits of replacement water jet with laser from economic and technological perspective.

This thesis presents a comprehensive study of the ice particle production process through experimentation and numerical methods using computational fluid dynamics (CFD) that can be used to produce ice particles with controlled temperature and hardness for use in ice jet (IJ) process for industrial applications. The analytical and numerical modeling for the heat exchanger system are developed that could predict the heat, mass and momentum exchange between the cold gas and water droplets. Further, the feasibility study of the deployment of ice particles produced from the ice jet system for possible cleaning and blasting applications are analyzed numerically. Although the use of Abrasive Water Jet (AWJ) technology in cutting, cleaning, machining and surface processing is a very successful industrial process, a considerable amount of secondary particle waste and contamination impingement by abrasive materials has been an important issue in AWJ process. Some alternate cryogenic jet methods involving vanishing abrasive materials, such as plain liquid nitrogen or carbon dioxide have been tried for these applications, but they also suffer from certain drawbacks relating to the quality, safety, process control and materials handling. The use of ice jet process involving minute ice particles has received relatively little attention in industrial applications. Some researches have concentrated on the studies of effects of Ice Jet outlet parameters of the nozzle and focus tube for machining soft and brittle materials. Most of the work in this area is qualitative and researchers have paid a cursory attention to the ice particles temperature and the efficiency of production of these particles. An extensive investigation to gain insight knowledge into the formulation of ice formation process parameters is required in arriving at a deeper understanding of the entire ice jet process for production application. Experimental investigations were focussed on the measurement of ice particle temperature, phase transitions, ice particle diameter, coalescence and hardness test. The change in ice particle diameter from the inlet conditions to the exit point of the heat exchanger wasinvestigated using the experimental results. These observations were extended to numerical analysis of temperature variations of ice particles at different planes inside the custom built heat exchanger. The numerical predictions were carried out with the aid of visualization studies and temperature measurement results from experiments. The numerical models were further analysed to find out the behaviour of ice particles in the transportation stage, the mixing chamber of the nozzle and focus tube. This was done to find out whether the methodology used in this research is feasible and if it can be used in applications such as cleaning, blasting, drilling and perhaps cutting. The results of the empirical studies show that ice particles of desired temperature and hardness could be produced successfully with the current novel design of the heat exchanger. At the optimum parameters, ice particles could be produced below -60�C, with hardness of particles comparable to gypsum (Moh�s hardness of 1.5 to 3). The visualization studies of the process assisted in observation of the phases of ice at various points along the heat exchanger. The results of numerical analysis were found to agree well with the experiments and were supported by the statistical model assessments. Numerical analyses also show the survival of ice particles at the nozzle exit even with high-pressure, high-velocity water/air mixture.

Thesis (M.Eng.Sc.) - University of Queensland, 2004. / Includes bibliography.

O Design, sendo uma atividade responsável pela criação de bens materiais, vem incorporando características culturais e saberes locais no desenvolvimento de produtos. O interesse por produtos culturais acarreta em desenvolvimento para as regiões produtoras, refletindo em diversos âmbitos da vida em sociedade, impulsionando e aumentando a competitividade do mercado local. Para isso, as tecnologias são fundamentais na promoção de inovações em produtos, facilitando o processo de produção e permitindo novas aplicações. Desta forma, a união destes dois fatores, tecnologias e valorização de produtos culturais, podem acarretar em ganhos, tanto para a região produtora, como para o país, no oferecimento de produtos com maior valor agregado. O serpentinito, considerado uma gema ornamental rara do Rio Grande do Sul, não possui atualmente uso comercial. O principal mineral constituinte dessa rocha são minerais do grupo das serpentinas, que podem ocorrer como agregados maciços e lamelares (antigorita e lizardita) e como cristais fibrosos (crisotilo). Assim, este trabalho tem como objetivo estudar as técnicas de beneficiamento em serpentinito, a fim de valorizar sua utilização como material gemológico para aplicação em joalheria. Para a caracterização mineralógica do serpentinito, utilizou-se lupa binocular, difratometria de raios X e microscópio petrográfico. As técnicas testadas para seu beneficiamento foram: corte por jato d’água, gravação a laser, polimento e resinagem. Para análise das interações das técnicas empregadas com o material, utilizou-se a lupa estereoscópica, microscópio eletrônico de varredura (MEV) e medidor de brilho (Gloss meter). Obteve-se resultados satisfatórios quanto a aplicação das técnicas no serpentinito, mas estes variam, conforme a textura da rocha. Em rochas com predominância de antigorita e lizardita, recomenda-se o uso da técnica de corte por jato d’água e a gravação a laser de preenchimento para obtenção de texturas superficiais. Em rochas com crisotilo, recomenda- se a realização de cortes com serra diamantada de precisão e o uso da gravação a laser de linhas e preenchimentos, para criação de elementos gráficos de média complexidade. Para o polimento, recomenda-se o uso de lixas de carbeto de silício (carborundum), partindo da faixa de grão 180 até 2000, para rochas com predominância da serpentina antigorita, e da faixa de grão 320 até 2000, para rochas com predominância da serpentina crisotilo. O tempo de cada etapa de lixamento é de 2 minutos e velocidade em torno de 300 rpm. Para proteção do material e obtenção de um brilho mais intenso, recomenda-se a aplicação de resina acrílica como etapa final do processo de beneficiamento. / Design as an activity for developing material goods, has been adding cultural characteristics and local knowledge in the development of products. The interest in cultural products brings progress for the producing regions, reflecting in different areas of social life, promoting and increasing the competitiveness of the local market. For this reason technologies are very important, to promote innovations in products, to enable the production process and new applications. So, the union of these two factors, technologies and valorization of cultural products, providing products with a bigger added value, may result in improvement for the producing region and also for its Country. Serpentinite, a rock used as a rare ornamental gemstone occurs in Rio Grande do Sul State (Brazil) and currently does not have commercial use. The main mineral of this rocks are of serpentine group, that may occur as massive and lamelar aggregates (antigorite and lizardite) and as fibrous crystals (chrysotile). This research aims to study processing techniques to apply in this serpentinite, in order to increase its use as gemological material for use in jewelry. The mineralogical characterization of serpentinite were done with a stereoscopic loupe, X-ray diffraction and with petrographic microscopy. The processing techniques tested were cut by water jet, laser engraving, polishing and resin coating. To analyze the interactions of this techniques with the serpentinite, it was used a stereoscopic loupe, a Scanning Electron Microscope (SEM) and a gloss meter. The results obtained with the application of the processing techniques in serpentinite are good, but vary according to the texture of the rock. In rocks with predominance of antigorite and lizardite, is recommend the use of cutting by water jet and the use of filled shapes laser engraving to obtain surface textures. In rocks with chrysotile, it is recommended to use precision cut diamond saw and the use of laser engraving lines and fill shapes to create graphics of medium complexity. To obtain a good polishment, the use of silicon carbide (carborundum) sandpaper is recommended, with the grit of 180 until 2000, for rocks with predominance of antigorite, and the grit of 320 until 2000, for rocks with predominance of chrysotile. The sanding time for each step is 2 minutes with a speed around 300 rpm. To protect the material and to obtain a better luster, is recommend the application of an acrylic resin as a final step of the improvemente process.

O estado do Rio Grande do Sul detém grande parte da produção de ágata no Brasil, sendo que o Distrito Mineiro de Salto do Jacuí possui uma das maiores jazidas desse mineral. No processo de beneficiamento dos geodos de ágata, após realizada a seleção de qualidade, os melhores, são destinados ao comércio exterior, e os demais, vendidos aos comerciantes locais para a produção de adornos para casa e para uso pessoal. Entre estes, encontram-se os anéis, confeccionados artesanalmente por pequenas fábricas. Observou-se que esses anéis, adquiridos no comércio de Soledade, RS, e em uma empresa situada na cidade de Lajeado, RS, apresentam diferença entre as suas espessuras laterais. Por lateral entende-se a porção do anel que pode ficar entre os dedos. Essa diferença tende a causar desconforto ao usuário, conhecido por percepção cinestésica, tornando o anel ergonomicamente impróprio para uso diário. A análise do senso cinestésico é realizada pela interpretação do que ocorre com uma parte do corpo quando determinada tarefa é executada, percebendo as forças e tensões exercidas pelo músculo. A partir disso, o objetivo do trabalho foi propor e investigar uma nova forma de fabricação desses adornos, utilizando softwares adequados para modelagem do anel e do equipamento de corte por jato d’água, que poderão proporcionar precisão do corte dos anéis em ágata, além de acelerar o processo de fabricação. Como conclusão do presente estudo, é possível afirmar que há dificuldades em manter a espessura de parede dos anéis, mas, se forem controladas as condições de pressão (318 MPa a 333 MPa) e velocidade de corte do equipamento (10 mm/s), é possível obter espessuras compatíveis para o aro dos anéis. / The state of Rio Grande Do Sul produces most of the agate in Brazil. The Salto do Jacuí mining district has one of the largest deposits of this gemological material. In the processing of agate geodes, the best geodes are intended for foreign trade after the quality selection is performed. The others are sold to local traders for the manufacture of home decoration and personal use items. Rings are among these. They are handmade by local and small factories. We observed that these rings, purchased in stores in the city of Soledade (in the state of Rio Grande do Sul) and in a company located in the city of Lajeado (in the same state), have different side thicknesses. Sides are the part of the ring that may be between the fingers. This difference tends to make the person wearing the ring uncomfortable. It is known as kinaesthetic perception, making the ring ergonomically improper for daily use. The analysis of the kinaesthetic sense is carried out by interpreting what happens with a part of the body when a certain task is performed, perceiving the forces and tensions created by the muscle. Based on this, the objective of this paper was to propose and to investigate a new way to manufacture these adornments, using proper softwares to model the ring and the water jet cutting equipment, which will be able to provide precision of the cut of the agate rings, in addition to speeding up the manufacturing process. The present study concludes that it is possible to state that there are difficulties in keeping the thickness of the walls of the rings. However, if the equipment's pressure conditions (318 MPa to 333 MPa) and cutting speed (10 mm/s) are controlled, it is possible to get compatible thicknesses for the hoop of the rings.

O Design, sendo uma atividade responsável pela criação de bens materiais, vem incorporando características culturais e saberes locais no desenvolvimento de produtos. O interesse por produtos culturais acarreta em desenvolvimento para as regiões produtoras, refletindo em diversos âmbitos da vida em sociedade, impulsionando e aumentando a competitividade do mercado local. Para isso, as tecnologias são fundamentais na promoção de inovações em produtos, facilitando o processo de produção e permitindo novas aplicações. Desta forma, a união destes dois fatores, tecnologias e valorização de produtos culturais, podem acarretar em ganhos, tanto para a região produtora, como para o país, no oferecimento de produtos com maior valor agregado. O serpentinito, considerado uma gema ornamental rara do Rio Grande do Sul, não possui atualmente uso comercial. O principal mineral constituinte dessa rocha são minerais do grupo das serpentinas, que podem ocorrer como agregados maciços e lamelares (antigorita e lizardita) e como cristais fibrosos (crisotilo). Assim, este trabalho tem como objetivo estudar as técnicas de beneficiamento em serpentinito, a fim de valorizar sua utilização como material gemológico para aplicação em joalheria. Para a caracterização mineralógica do serpentinito, utilizou-se lupa binocular, difratometria de raios X e microscópio petrográfico. As técnicas testadas para seu beneficiamento foram: corte por jato d’água, gravação a laser, polimento e resinagem. Para análise das interações das técnicas empregadas com o material, utilizou-se a lupa estereoscópica, microscópio eletrônico de varredura (MEV) e medidor de brilho (Gloss meter). Obteve-se resultados satisfatórios quanto a aplicação das técnicas no serpentinito, mas estes variam, conforme a textura da rocha. Em rochas com predominância de antigorita e lizardita, recomenda-se o uso da técnica de corte por jato d’água e a gravação a laser de preenchimento para obtenção de texturas superficiais. Em rochas com crisotilo, recomenda- se a realização de cortes com serra diamantada de precisão e o uso da gravação a laser de linhas e preenchimentos, para criação de elementos gráficos de média complexidade. Para o polimento, recomenda-se o uso de lixas de carbeto de silício (carborundum), partindo da faixa de grão 180 até 2000, para rochas com predominância da serpentina antigorita, e da faixa de grão 320 até 2000, para rochas com predominância da serpentina crisotilo. O tempo de cada etapa de lixamento é de 2 minutos e velocidade em torno de 300 rpm. Para proteção do material e obtenção de um brilho mais intenso, recomenda-se a aplicação de resina acrílica como etapa final do processo de beneficiamento. / Design as an activity for developing material goods, has been adding cultural characteristics and local knowledge in the development of products. The interest in cultural products brings progress for the producing regions, reflecting in different areas of social life, promoting and increasing the competitiveness of the local market. For this reason technologies are very important, to promote innovations in products, to enable the production process and new applications. So, the union of these two factors, technologies and valorization of cultural products, providing products with a bigger added value, may result in improvement for the producing region and also for its Country. Serpentinite, a rock used as a rare ornamental gemstone occurs in Rio Grande do Sul State (Brazil) and currently does not have commercial use. The main mineral of this rocks are of serpentine group, that may occur as massive and lamelar aggregates (antigorite and lizardite) and as fibrous crystals (chrysotile). This research aims to study processing techniques to apply in this serpentinite, in order to increase its use as gemological material for use in jewelry. The mineralogical characterization of serpentinite were done with a stereoscopic loupe, X-ray diffraction and with petrographic microscopy. The processing techniques tested were cut by water jet, laser engraving, polishing and resin coating. To analyze the interactions of this techniques with the serpentinite, it was used a stereoscopic loupe, a Scanning Electron Microscope (SEM) and a gloss meter. The results obtained with the application of the processing techniques in serpentinite are good, but vary according to the texture of the rock. In rocks with predominance of antigorite and lizardite, is recommend the use of cutting by water jet and the use of filled shapes laser engraving to obtain surface textures. In rocks with chrysotile, it is recommended to use precision cut diamond saw and the use of laser engraving lines and fill shapes to create graphics of medium complexity. To obtain a good polishment, the use of silicon carbide (carborundum) sandpaper is recommended, with the grit of 180 until 2000, for rocks with predominance of antigorite, and the grit of 320 until 2000, for rocks with predominance of chrysotile. The sanding time for each step is 2 minutes with a speed around 300 rpm. To protect the material and to obtain a better luster, is recommend the application of an acrylic resin as a final step of the improvemente process.

O Design, sendo uma atividade responsável pela criação de bens materiais, vem incorporando características culturais e saberes locais no desenvolvimento de produtos. O interesse por produtos culturais acarreta em desenvolvimento para as regiões produtoras, refletindo em diversos âmbitos da vida em sociedade, impulsionando e aumentando a competitividade do mercado local. Para isso, as tecnologias são fundamentais na promoção de inovações em produtos, facilitando o processo de produção e permitindo novas aplicações. Desta forma, a união destes dois fatores, tecnologias e valorização de produtos culturais, podem acarretar em ganhos, tanto para a região produtora, como para o país, no oferecimento de produtos com maior valor agregado. O serpentinito, considerado uma gema ornamental rara do Rio Grande do Sul, não possui atualmente uso comercial. O principal mineral constituinte dessa rocha são minerais do grupo das serpentinas, que podem ocorrer como agregados maciços e lamelares (antigorita e lizardita) e como cristais fibrosos (crisotilo). Assim, este trabalho tem como objetivo estudar as técnicas de beneficiamento em serpentinito, a fim de valorizar sua utilização como material gemológico para aplicação em joalheria. Para a caracterização mineralógica do serpentinito, utilizou-se lupa binocular, difratometria de raios X e microscópio petrográfico. As técnicas testadas para seu beneficiamento foram: corte por jato d’água, gravação a laser, polimento e resinagem. Para análise das interações das técnicas empregadas com o material, utilizou-se a lupa estereoscópica, microscópio eletrônico de varredura (MEV) e medidor de brilho (Gloss meter). Obteve-se resultados satisfatórios quanto a aplicação das técnicas no serpentinito, mas estes variam, conforme a textura da rocha. Em rochas com predominância de antigorita e lizardita, recomenda-se o uso da técnica de corte por jato d’água e a gravação a laser de preenchimento para obtenção de texturas superficiais. Em rochas com crisotilo, recomenda- se a realização de cortes com serra diamantada de precisão e o uso da gravação a laser de linhas e preenchimentos, para criação de elementos gráficos de média complexidade. Para o polimento, recomenda-se o uso de lixas de carbeto de silício (carborundum), partindo da faixa de grão 180 até 2000, para rochas com predominância da serpentina antigorita, e da faixa de grão 320 até 2000, para rochas com predominância da serpentina crisotilo. O tempo de cada etapa de lixamento é de 2 minutos e velocidade em torno de 300 rpm. Para proteção do material e obtenção de um brilho mais intenso, recomenda-se a aplicação de resina acrílica como etapa final do processo de beneficiamento. / Design as an activity for developing material goods, has been adding cultural characteristics and local knowledge in the development of products. The interest in cultural products brings progress for the producing regions, reflecting in different areas of social life, promoting and increasing the competitiveness of the local market. For this reason technologies are very important, to promote innovations in products, to enable the production process and new applications. So, the union of these two factors, technologies and valorization of cultural products, providing products with a bigger added value, may result in improvement for the producing region and also for its Country. Serpentinite, a rock used as a rare ornamental gemstone occurs in Rio Grande do Sul State (Brazil) and currently does not have commercial use. The main mineral of this rocks are of serpentine group, that may occur as massive and lamelar aggregates (antigorite and lizardite) and as fibrous crystals (chrysotile). This research aims to study processing techniques to apply in this serpentinite, in order to increase its use as gemological material for use in jewelry. The mineralogical characterization of serpentinite were done with a stereoscopic loupe, X-ray diffraction and with petrographic microscopy. The processing techniques tested were cut by water jet, laser engraving, polishing and resin coating. To analyze the interactions of this techniques with the serpentinite, it was used a stereoscopic loupe, a Scanning Electron Microscope (SEM) and a gloss meter. The results obtained with the application of the processing techniques in serpentinite are good, but vary according to the texture of the rock. In rocks with predominance of antigorite and lizardite, is recommend the use of cutting by water jet and the use of filled shapes laser engraving to obtain surface textures. In rocks with chrysotile, it is recommended to use precision cut diamond saw and the use of laser engraving lines and fill shapes to create graphics of medium complexity. To obtain a good polishment, the use of silicon carbide (carborundum) sandpaper is recommended, with the grit of 180 until 2000, for rocks with predominance of antigorite, and the grit of 320 until 2000, for rocks with predominance of chrysotile. The sanding time for each step is 2 minutes with a speed around 300 rpm. To protect the material and to obtain a better luster, is recommend the application of an acrylic resin as a final step of the improvemente process.

O estado do Rio Grande do Sul detém grande parte da produção de ágata no Brasil, sendo que o Distrito Mineiro de Salto do Jacuí possui uma das maiores jazidas desse mineral. No processo de beneficiamento dos geodos de ágata, após realizada a seleção de qualidade, os melhores, são destinados ao comércio exterior, e os demais, vendidos aos comerciantes locais para a produção de adornos para casa e para uso pessoal. Entre estes, encontram-se os anéis, confeccionados artesanalmente por pequenas fábricas. Observou-se que esses anéis, adquiridos no comércio de Soledade, RS, e em uma empresa situada na cidade de Lajeado, RS, apresentam diferença entre as suas espessuras laterais. Por lateral entende-se a porção do anel que pode ficar entre os dedos. Essa diferença tende a causar desconforto ao usuário, conhecido por percepção cinestésica, tornando o anel ergonomicamente impróprio para uso diário. A análise do senso cinestésico é realizada pela interpretação do que ocorre com uma parte do corpo quando determinada tarefa é executada, percebendo as forças e tensões exercidas pelo músculo. A partir disso, o objetivo do trabalho foi propor e investigar uma nova forma de fabricação desses adornos, utilizando softwares adequados para modelagem do anel e do equipamento de corte por jato d’água, que poderão proporcionar precisão do corte dos anéis em ágata, além de acelerar o processo de fabricação. Como conclusão do presente estudo, é possível afirmar que há dificuldades em manter a espessura de parede dos anéis, mas, se forem controladas as condições de pressão (318 MPa a 333 MPa) e velocidade de corte do equipamento (10 mm/s), é possível obter espessuras compatíveis para o aro dos anéis. / The state of Rio Grande Do Sul produces most of the agate in Brazil. The Salto do Jacuí mining district has one of the largest deposits of this gemological material. In the processing of agate geodes, the best geodes are intended for foreign trade after the quality selection is performed. The others are sold to local traders for the manufacture of home decoration and personal use items. Rings are among these. They are handmade by local and small factories. We observed that these rings, purchased in stores in the city of Soledade (in the state of Rio Grande do Sul) and in a company located in the city of Lajeado (in the same state), have different side thicknesses. Sides are the part of the ring that may be between the fingers. This difference tends to make the person wearing the ring uncomfortable. It is known as kinaesthetic perception, making the ring ergonomically improper for daily use. The analysis of the kinaesthetic sense is carried out by interpreting what happens with a part of the body when a certain task is performed, perceiving the forces and tensions created by the muscle. Based on this, the objective of this paper was to propose and to investigate a new way to manufacture these adornments, using proper softwares to model the ring and the water jet cutting equipment, which will be able to provide precision of the cut of the agate rings, in addition to speeding up the manufacturing process. The present study concludes that it is possible to state that there are difficulties in keeping the thickness of the walls of the rings. However, if the equipment's pressure conditions (318 MPa to 333 MPa) and cutting speed (10 mm/s) are controlled, it is possible to get compatible thicknesses for the hoop of the rings.

D.Ing. / The research described in this thesis is an investigation into fundamental aspects of the mechanical excavation of hard rock using free rolling cutters, currently being undertaken at the Chamber of Mines of South Africa Research Organization. The motivation for undertaking this study was provided by the need to improve the effectiveness and operational efficiency of this type of tool with regards to its application in the South African gold mining industry. Earlier work has shown that the use of high-pressure water jets enhances the performance of mechanical cutting in hard rock. To assess the potential of this approach for use in conjunction with free rolling cutters, a series of laboratory tests was conducted using both disc and button type cutters, to determine the relative effects, on cutter performance, of variations in the relevant jet and cutting parameters. The parameters investigated were jet pressure, jet configuration, depth and spacing of cuts and cutting speed. Jets of diameter 1,2 mm were used singly and in combination of 2 and 4 jets at pressures in the range of 5 MPa to 40 MPa which gave flow rates of up to 0,3 lis per jet. Cut spacing, cut depth and cutting speed were varied between 15 mm and 90 mm, 2 mm and 6 mm, and 0,1 mls and 1,0 mls respectively. Tests were carried out on a linear rock cutting machine, purpose built according to specifications prepared from measurements made during underground field trials, which gave it the ability to test full-scale cutters under loading conditions representative of those found in the field. All the tests carried out were performed in the constant penetration, multiple pass (groove deepening) cutting mode, using dressed (smooth) and pre-conditioned (pre-roughened) rock surfaces.