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 objetivo desse trabalho foi avaliar o processo de formação do cavaco durante o torneamento utilizando simulação numérica pelo método dos elementos finitos. Para realizar o estudo foram definidos dois tipos de aços inoxidáveis austeníticos, um com matriz metálica sem a presença significativa de inclusões, do tipo ABNT 304, e outro com a presença de inclusões não metálicas, do tipo ABNT 303. O estudo foi focado nos mecanismos de formação e ruptura do cavaco, na determinação das forças de usinagem, no campo de tensões, deformações, e temperaturas durante o processo, que foram relacionados com aspectos e características da microestrutura do material. Os resultados obtidos foram comparados com as forças de usinagem experimentais, com a espessura e morfologia do cavaco. O desenvolvimento do trabalho, de acordo com a metodologia adotada, foi realizado em diferentes etapas. Inicialmente foi elaborado e aplicado um modelo de simulação da usinagem considerando o material homogêneo. Em outra etapa, foi realizada a modelagem de uma microestrutura submetida a um estado de tensão e deformação semelhante ao encontrado na simulação da usinagem realizada com material homogêneo. Os resultados mostraram que as partículas das inclusões maiores, alongadas, e em maior quantidade aumentam a tensão e a deformação na microestrutura. As elevadas temperaturas obtidas na usinagem dos aços inoxidáveis austeníticos aumentam a ductilidade dos sulfetos, esses se deformam em compressão junto com a matriz, e têm um efeito limitado como agente de redução dos esforços de usinagem. Por outro lado, os sulfetos facilitam a etapa de ruptura do cavaco em tensões trativas, e tendem a se romper facilitando o processo de quebra. / The aim of this study was to evaluate the chip formation process during turning using a numerical simulation by finite element method. Two different austenitic stainless steel were evaluated, one without a significant presence of inclusions, ABNT 304, and another one with the presence of non-metallic inclusions, ABNT 303. The study was focused on the chip formation and rupture, in determining the machining forces, stresses, strains and temperatures during the process, which were related to aspects and characteristics of the microstructure. The results obtained were compared with the experimental machining forces, thickness and morphology of the chip. The development of the work, according to the methodology, was carried out at different steps. The first one implemented a simulation model considering a homogeneous material. In the next step, the microstructure was subjected to a state of stress similar to that found in the simulation of the machining performed with homogeneous material. The results showed that the largest inclusion particles, elongated and in greater quantity, increase stresses and strains in the microstructure. The high temperatures obtained when machining austenitic stainless steel increase the ductility of sulfides. These are deformed in compression along with the matrix, and have a limited effect in reducing machining forces. On the other hand, sulfides facilitate the chip fracture at tensile stresses.

Em um ambiente produtivo, a falta de informações confiáveis cria, muitas vezes, uma imagem do chão-de-fábrica que não retrata a realidade, comprometendo o desempenho e diminuindo a agilidade da empresa. Neste contexto, um sistema de supervisão do chão-de-fábrica, capaz de fornecer informações confiáveis e de forma rápida, pode ser um grande diferencial para manter a competitividade das empresas de manufatura. Este trabalho sistematiza visões e conceitos que auxiliam na implantação de sistemas de supervisão do chão-de-fábrica em empresas que utilizam operações de usinagem no seu processo produtivo. Além disso, apresenta o desenvolvimento e a implantação deste sistema na Fábrica Integrada Modelo (FIM) do Núcleo de Manufatura Avançada (NUMA) da Escola de Engenharia de São Carlos - USP. / The lack of reliable information in a production environment creates a wrong image of the shop floor, affecting the plant\'s agility and its performance. A shop floor supervisory system, able to provide, in a fast way, that sort of information, can enhance the competitiveness of the manufacturing plant. The present work shows visions and concepts that can give support to the implementation of shop floor supervisory system in manufacturing plants. lt also presents the development and implementation of this kind of system in the lntegrated Model Plant (FIM) of the Advanced Manufacturing Nucleus (NUMA) at São Carlos - University of São Paulo.

Prediction of chip-breaking in machining is an important task for automated manufacturing. There are chip-breaking limits in maching chip-breaking processes, which determine the chip-breaking range. This paper presents a study of chip-breaking limits with grooved cutting tools, and a web-based machining chip-breaking prediction system. Based on the chip-breaking curve, the critical feed rate is modeled through an analysis of up-curl chip formation, and the critical depth of cut is formulated through a discussion of side-curl dominant chip-formation processes. Factors affecting chip-breaking limits are also discussed. In order to predict chip-breaking limits, semi-empirical models are established. Although the coefficients that occur in the model are estimated through machining tests, the models are applicable to a broad range of machining conditions. The model parameters include machining conditions, tool geometry, and workpiece material properties. A new web-based machining chip-breaking prediction system is introduced with examples of industrial applications.

Abstract Prediction of chip-breaking in machining is an important task for automated manufacturing. There are chip-breaking limits in machining chip-breaking chart, which determine the chip-breaking range. This thesis presents a study of the effect of 3-D groove insert parameters on chip breaking chart. Based on the chip-breaking criteria, the critical feed rate is formulated through an analysis of up-curl chip formation for 3-D grooves. Also in order to predict chip-breaking limits, for protruded insert grooves in finish machining, analytical models are established. In the analytical models, minimum and maximum depth of cut are identified for using different chip breaking models. As well insert nose radius effects on chip thickness for small depth of cut are studied. In the end, the analytical critical feed rate model is extended to finish machining with 3-D chipbreaking grooves.

Este trabalho apresenta a síntese de nanopartículas (NPs) de NaYF4 dopadas com íons terras raras a partir de sistemas microfluídicos projetados e desenvolvidos em parceria entre o Laboratório de Crescimento de Cristais e a Central de Processamento de Materiais a Laser no Centro de Laser e Aplicações IPEN. O objetivo foi o estudo de diferentes circuitos microfluídicos usinados a laser para síntese de NPs de fluoretos em geral. Como material teste foi escolhido o NaYF4:Yb3+:Er3+, visando sua obtenção na fase hexagonal com dimensões definidas. Experiências de síntese deste material por co-precipitação, sem uso de surfactantes, foram realizadas para comparação com as sínteses obtidas via microfluídica. Por co-precipitação foram obtidas partículas esféricas, na fase cubica do NaYF4. Foram projetados e fabricados, via usinagem a laser de pulsos ultracurtos em substrato de vidro ótico BK7, três circuitos microfluídicos. Nas experiências de sínteses realizadas nestes chips foram obtidas NPs de NaYF4:Yb3+:Er3+ tanto na fase cubica quanto na fase hexagonal, em diferentes proporções, dependendo dos fluxos de injeção dos precursores no micro reator, da temperatura e da taxa de residência. As NPs obtidas neste trabalho foram caracterizadas através de DRX e analise pelo método de Rietveld, para a identificação das fases do material, MET para definição de forma e tamanho da nanopartículas e MEV para estudo dos microcanais dos chips usinados a lasers. Os melhores resultados foram observados em chips com microcanais da ordem de 400-600μm, pois minimizam o problema de obstrução. Contudo, o controle da temperatura precisa ser otimizado para evitar trincas nos microcircuitos. As NPs obtidas via microfluídica apresentaram distribuição de tamanho na faixa de 5 a 200nm e fases com estrutura hexagonal e cubica. Foi possível obter NPs de fase única cubica, mas o mesmo não ocorreu para fase hexagonal do NaYF4. O presente estudo permitiu definir vários fatores para a obtenção das NPs de NaYF4 via microfluídica e também referente a fabricação, montagem e uso dos chips, porém para obter NPs desse material com controle da dimensão e fases serão necessários estudos complementares. / This work presents the synthesis of NaYF4 nanoparticles (NPs), doped with rare earth ions, using microfluidic systems designed and fabricated at IPEN through Crystal Growth Lab and Materials Laser Processing Lab partnership. The aim of this work was the study of different microfluidic chips laser machined for use in fluoride NPs synthesis. The compound NaYF4:Yb3+:Er3+ (Yb 10 mole%; Er 0.5 mole %) was chosen to test the fabricated microfluidic chips aiming the production of NPs with hexagonal structure with defined dimensions. Synthesis experiments by co-precipitation method of this material without any surfactant were performed to compare with microfluidics synthesis. By this method spherical particles, were obtained with the cubic NaYF4 crystalline structure. Three different chips were designed and fabricated, using a femtosecond laser to machine BK7 optical glass substrate. The synthesis experiments with these chips resulted in NaYF4:Yb3+:Er3+ NPs with both cubic and hexagonal crystalline structure, in different proportions, depending of precursors flux rates, temperature and resident time. The obtained materials of all experiments were characterized by X-ray diffraction and Rietveld analysis, to define crystalline structures parameters; transmission microscopy to define shape and size of NPs and scanning electron microscopy to characterize the chips micro channels machined by laser. The best results were observed for chips with channels of 400-600μm, in view of the obstruction decrease in the chips. The NPs obtained with microfluidics presented sizes from 5nm up to 200nm and hexagonal and cubic crystallographic structures. Cubic single phase NPs were obtained, but the same did not happened with the NaYF4 hexagonal phase. The present study allowed establishing many different parameters for NaYF4 NPs synthesis through microfluidics and concerning fabrication, assembly and experimental use of microfluidic chips, however, additional experiments will be necessary to obtain the fluoride NPs with controlled size and shape.

Este trabalho propõe substituir o processo de usinagem que é empregado atualmente na fabricação de uma engrenagem cônica fabricada com material ABNT 8620, pelo processo de metalurgia do pó, gerando uma peça com economia de matéria prima, aumento de valor agregado e diminuição nos custos de produção. Esta peça tem como aplicação em um dispositivo utilizado na agroindústria destinado ao plantio, onde a engrenagem sofre esforços leves não necessitando ser tratada termicamente. A análise realizada neste trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um ferramental específico para a produção de uma engrenagem cônica sinterizada utilizando uma liga comercial da empresa Höganäs do Brasil denominada Distaloy AB, de composição Fe- Mo-Ni-Cu. As peças foram produzidas pelo processo de sinterização e analisadas em etapas diferentes do processo como: compactação, sinterização e calibragem. Na avaliação compara-se o diâmetro interno da engrenagem compactada, sinterizada e calibrada. Realizou-se um estudo dos valores de mercado entre os processos de usinagem e MP para um lote de produção de duas mil peças. As peças foram compactadas a 600MPa e sinterizadas a 1120oC, durante o tempo de 40min. Os resultados alcançados mostram a viabilidade de substituição do processo de usinagem pelo processo de metalurgia do pó para obtenção da peça de estudo, onde a economia de material e as propriedades mecânicas necessárias foram atingidas pelo componente sinterizado. / This work proposes to replace the machining process that is currently employed in the manufacture of a conical gear manufactured with ABNT 8620 material, by the process of powder metallurgy, generating a part with economy of raw material, increase of value added and decrease in production costs. This part is applied in a device used in the agroindustry destined to the planting, where the gear undergoes slight efforts not needing to be treated thermally. The analysis carried out in this work has the objective of developing a specific tooling for the production of a sintered conical gear using a commercial alloy of the company Höganäs do Brasil denominated Distaloy AB, with Fe-Mo-Ni-Cu composition. The pieces were produced by the sintering process and analyzed in different stages of the process as: compression, sintering and calibration. In the evaluation the internal diameter of the compacted, sintered and calibrated gear is compared. A study of the market values between the machining processes and MP for a production lot of two thousand pieces was carried out. The pieces were compacted at 600MPa and sintered at 1120oC for 40min. The results show the feasibility of replacing the machining process by the powder metallurgy process to obtain the study piece, where the material savings and the necessary mechanical properties were reached by the sintered component.

Este trabalho consiste no desenvolvimento de um método para a usinagem a laser de modelos 3D em máquinas galvanométricas pós-objetivas, por meio da gravação de múltiplas camadas bidimensionais. Foi realizado um estudo para estabelecer os parâmetros de processo por meio de ensaios e ajustes no equipamento utilizado. Com o desenvolvimento de um dispositivo para controle do deslocamento vertical da mesa de trabalho, foi possível determinar com exatidão o ponto focal, bem como o passo da máquina (altura da camada). O substrato utilizado no estudo foi o PMMA Poli(metacrilato de metila) com um laser de CO2 de 43 W. Foram ensaiados os parâmetros de largura e profundidade dos rasgos formados pelo laser, bem como o ângulo de incidência. Foi possível determinar a profundidade da camada usinada em função dos parâmetros avaliados, bem como produzir modelos 3D com camadas de até 0,2 mm (com velocidade de 100 m/min e espaçamento entre linhas de 0,04 mm). Análises dimensionais foram realizadas por digitalização tridimensional, as quais mostraram erros médios na ordem de 0,1 mm nas peças produzidas. O resultado evidencia o potencial desta pesquisa ao propiciar a criação de uma nova funcionalidade para máquinas de gravação a laser, por exemplo, para fab labs e laboratórios de criação e design, para confecção de pequenos protótipos. / This work consists of a method development for laser machining of 3D models in post-objective galvanometric equipments through the engraving of multiple two-dimensional layers. A study was carried out to establish process parameters by means of tests and adjustments in the equipment used. With the development of a device to control vertical displacement of the work table it was possible to determine accurately the focal point and the step of the machine table (layer height). The material used in the study was PMMA, Poly(methyl methacrylate), with a 43 W CO2 laser. The parameters tested were width and depth of the slots formed by the laser as well as angle of incidence. It was possible to determine machined layer depth as a function of the evaluated parameters and to produce 3D models with layers up to 0.2 mm (with 100 m/min speed and 0.04 mm spacing between rows). Dimensional analyzes performed by 3D scanning showed average errors in the order of 0.1 mm. The result evidences the potential of this research by providing a new functionality for laser engraving machines, e.g. for making small prototypes in fab labs and design laboratories.

A operação de fresamento de faceamento tem como objetivo proporcionar superfícies planas isentas de deformação residual na seção transversal da peça usinada. Por outro lado, as evidências apresentadas neste trabalho demonstram que tal deformação existe e seu comportamento pode ser relacionado com grandezas tecnológicas como o tipo de ferramenta utilizada, a velocidade de avanço e de corte do processo além das propriedades mecânicas e metalúrgicas do material da peça.Foram realizados ensaios de fresamento de faceamento, em condições convencionais de usinagem, em duas superligas, sendo uma a base de níquel e outra a base de cobalto, além de uma liga de titânio. As relações de avanço por faca, ângulo de hélice e velocidade de corte foram manipuladas com o objetivo de se avaliar as deformações residuais sob diferentes taxas de deformação. Os corpos de prova foram avaliados em seu estado deformado e através de microscopia eletrônica de varredura, foi possível junto da modelagem matemática, concluir que a hipótese de deformação plana na seção transversal da peça é válida, e esta poderá ser avaliada através do uso da teoria de Slip Lines. O comportamento plástico do material foi avaliado através da teoria de Slip Lines com a implementação do modelo constitutivo Johnson-Cook, enquanto a estimativa de força no processo de usinagem foi feita com o uso da teoria da zona de planos de cisalhamentos paralelos modificada, conforme P.L.B Oxley e Lee e Shaffer. Os diversos pontos apresentados nesta tese que formam o conceito de contribuição foram identificados ao longo do texto, inclusive uma nova abordagem sobre a área de corte de uma fresa com canal helicoidal, bem como as críticas voltadas à definição do ângulo inicial do plano de cisalhamento e da temperatura para obtenção das tensões. A plasticidade do contínuo foi o principal aspecto tanto para estimar as tensões bem como para avaliar as deformações, seja no cavaco bem como na peça. O índice de plastificação do material se demonstrou como principal fator para uma reavaliação da proposta de P.L.B Oxley e, o entendimento de como as demais propriedades mecânicas associadas à este índice influenciam na deformação plana residual e demais condições de equilíbrio de tensões durante a usinagem são sugeridas para complementar o entendimento e uso desta contribuição. / The face milling operation purpose is providing flat machined surfaces free from residual strains at the cross section of the workpiece. On the other hand, the evidences presented in this thesis are enough to demonstrate that the strain exists and its behavior can be related to technical measurements such as the cutting tool helical profile, the feed rate, the cutting speed beyond the materials mechanical and metallurgical properties. Several face milling operation under conventional cutting conditions onto two super alloys have been performed. A nickel base alloy and a cobalt base were observed. A titanium base alloy has also been observed. The feed rate, the rake angle and the cutting speed were manipulated aiming the evaluation of the residual strains under different strain rates. The specimen has been evaluated in its strained condition throughout the use of scanning electronic microscopy. Furthermore with the mathematical modeling it has been possible to conclude that the residual strain at the cross sectional surface is supportable and the strained profile can be evaluated through the use of the Slip Line Field plasticity theory. The plastic behavior of the material has been evaluated with the Slip Line Field plasticity theory with the Johnson-Cook´s constitutive material´s model. The cutting force estimation has used the modified parallel shear plane zone machining model assured by P.L.B. Oxley and an ancient Slip Line solution presented by Lee and Shaffer. All of the details of this thesis which collaborate with the contribution concept have been pointed out along this research, especially the derivation of the helical area profile as well as the criticism related with the shear plane initial value definition and temperature estimation. The continuum plasticity has been the main aspect to evaluate the stresses and also the strains in the workpiece and also at the chip. The materials strain hardening index is main point for a new evaluation of the P.L.B Oxley machining model, and the understanding of how the mechanical properties related with this index influence the residual plane strain and the other convergence conditions of strain during the machining are suggested in order to build up the understanding of this contribution.

<div>Hydrogels are soft polymers comprising of a three-dimensional network capable of absorbing significant amount of water or other aqueous bio-fluids. A group of hydrogels, commonly referred to as “environmentally-sensitive hydrogels” are designed such that they can undergo reversible volume change in response to a variety of physical and chemical stimuli. Although mechanically soft, embedding organic and inorganic micro and nanoparticles into the hydrogel network increases their mechanical strength. Hydrogels have been extensively explored as scaffolding for tissue engineering or smart materials for biomedical transducers. Hydrogels in the mm-scale are typically associated with a slow response time. At micro-scale, however, they can be fast and useful as smart sensors and actuators. Several micromachining techniques have been employed to pattern thin films of hydrogel. Micro-patterning methods are based on traditional fabrication techniques such as lithography, etching, and micro-molding. These methods are time consuming, expensive, and do not scale well to large production. In addition, they have limitations as related to processing composite gels (e.g., UV light cannot penetrate through the gel and particles can mask dry etch). In this work, we outline a doctoral research aimed at alternative solution based on direct laser patterning, allowing low cost, fast, and scalable fabrication for mass production.</div><div><br></div><div><div>We characterized and analyzed a series of transient features of the laser-engineered patterns, including the ablated width, sidewall quality and resolution, as a function of laser beam parameters and hydrogel thermal & optical properties by laser-machining the hydrogels at different moisture level of hydrogels till fully dry at an interval of one hour. All the optimal patterns appear at 1-2 hours of drying (hydrogel losing 35%-65% weight), thus identifying an optimal window for a rapid end-to-end fabrication. Then, two types of composite gels were created and laser engineered, consisting of nano-iron particles embedded hydrogel (“ferrogel”) and micro-silica beads loaded hydrogel (“silicagel”); the results show comparable features similar to the bare hydrogel, confirming the processability of laser micro-machining on the composite gels. Next, we studiedthe swelling kinetics of the laser-machined hydrogels and identified tradeoffs between swelling speed and mechanical force. At the final, we used the laser patterning method to design and fabricate two pH-regulated autonomous drug delivery devices, a 3D printed smart capsule for targeted drug delivery in small intestine and a flexible patch for delivering antibiotics to infected chronic wounds. In both cases, their delivery capabilities can be tuned by either controlling the spatial resolution of the hydrogel actuator (the former) or using an n × n array (the latter).</div></div>