Tese de doutoramento. Ciências de Engenharia. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Vítor Abrantes

Tese de Doutoramento. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2011

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação dos Prof. Doutor António Torres Marques e Doutor José César de Sá

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:12Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-11-09Bitstream added on 2014-06-13T20:55:50Z : No. of bitstreams: 1 santos_cef_me_guara.pdf: 3218848 bytes, checksum: 3f5d62f5f34f564cf227356a6f346b8a (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho, foram analisados os resultados do processo de furação da chapa de GLARE®. O que motivou este estudo foi a necessidade cada vez maior para as empresas de realizar furos em materiais compósitos com brocas especiais e comerciais em quantidades cada vez mais crescentes. Outros fatores chamam a atenção em relação aos resultados obtidos a partir destas operações tais como: a qualidade das superfícies geradas na usinagem, o acabamento dos furos, geometria, deformação, tolerância dimensional e possíveis defeitos gerados. Neste estudo os testes foram realizados sem a presença de fluído refrigerante. Foram executados vários ensaios totalizando sete diferentes condições, e foi possível conseguir eliminar o defeito de delaminação, deformação, desfibramento e manter uma uniformização na usinagem dos furos. Foram identificamos os melhores parâmetros de furação com broca de metal duro inteiriça comercial, para o material compósito GLARE®. A velocidade de corte ideal para o material foi de 157m/min, nesta condição foi possível manter a ferramenta com sua integridade com o mínimo de desgaste por abrasão totalizando 248 furos e a ferramenta ainda com condições de continuar a cortar normalmente / In this work, the results of the drilling process of the GLARE® sheet were analyzed. What motivated this study it was the need every time larger for the companies of accomplishing holes in materials composites with special drills and you trade more and more in amounts growing. Other factors get the attention in relation to the results obtained starting from these such operations as: the quality of the surfaces generated in the machining, the finishing of the holes, geometry, deformation, dimensional tolerance and possible generated defects. In this study the tests were accomplished without the presence of cutting fluid. Several rehearsals were executed totaling seven different conditions, and it was possible to get to eliminate the delamination defect, deformation, disfibration and to maintain an uniformization in the holes machining. Were identified the best drilling parameters with integral cemented carbide drill from commercial trade, for the material composite GLARE®. The better cutting speed for the material was of 157m/min, in this condition it was possible to maintain the tool with its integrity with the minimum of wear for abrasion still totaling 248 holes and the tool with conditions of continuing to cut usually

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:12Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-07-08Bitstream added on 2014-06-13T19:47:37Z : No. of bitstreams: 1 brocks_t_me_guara.pdf: 1127902 bytes, checksum: d3d7631f1ee3c081efb6530997375ebd (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / A indústria aeronáutica nacional tem intensificado sua busca por materiais alternativos, com características e propriedades que permitam a substituição segura do material metálico. Com o objetivo de ganhar competitividade no mercado internacional e contribuir para o desenvolvimento tecnológico no país, o presente trabalho apresenta a técnica de processamento de moldagem por transferência de resina (RTM), utilizada na fabricação de materiais compósitos estruturais e ainda pouco estudada no Brasil. Os compósitos processados por essa técnica apresentam maior fração volumétrica de fibras, melhor acabamento superficial e pouca ou nenhuma necessidade de acabamento do componente produzido. Este trabalho compreende o processamento e a caracterização de compósitos produzidos com resina epóxi monocomponente Cycom 890 e dois tipos de tecidos, plain weave e twill 2x2, ambos de fibra de carbono. Para a determinação dos parâmetros de processamento, a resina foi caracterizada quanto aos seus comportamentos térmico e viscoso. Com base nos resultados e testes preliminares foi determinada a temperatura mais adequada de injeção em 100°C, a pressão de injeção entre 0,2 e 0,4 MPa e de vácuo em 250 mPa.s. Os compósitos produzidos foram analisados pela técnica de ultrassom C-Scan e os resultados mostraram que os laminados processados estão homogêneos quanto à impregnação. Testes de tração mostram que os laminados com tecido tipo Twill apresentam maior média de resistência à tração, enquanto que a diferença de trama não influencia significativamente às propriedades de flexão e cisalhamento, que se mostraram superiores as propriedades de compósitos produzidos em autoclave com maiores porcentagens de reforço. Em fadiga, ambos os laminados apresentaram um curto intervalo, com tensões próximas à de tração, no entanto, o laminado PW/Cycom apresentou maior... / The national aeronautical industry has intensified your search for alternative materials, with characteristics and properties that allow the safety replacement of metallic material. The goal is to gain competitiveness on international market and contribute with technological development in the country. This work presents a processing technique of resin transfer molding (RTM), used on manufacture of structural composites and understudied in Brazil. Composites processed by this method have a higher fibers volume fraction, better surface finish and little or no finishing require of produced component. This work includes the processing and characterization of composites made with monocomponent epoxy resin Cycon 890 and two types of carbon fiber fabrics, plain weave and twill 2x2. To determine processing parameters, the resin was characterized regarding thermal behavior and viscosity. Based on this results and preliminary tests, it was determined the most appropiate injection temperature at 100°C, the injection pressure between 0.2 and 0.4 MPa and vacuum pressure in 250 mPa.s. Composites produced were analyzed by C-scan ultrasound technique showing a homogeneous impregnation of processed panels. Tensile and flexural tests characterized mechanically composites, allowing seeing that Twill fabric has higher medium tensile performance, while the difference of weft does not influence significantly the flexural and shear properties, that are superior than properties of composites made by autoclaving with higher reinforced volume. In fatigue, both composites showed short interval, close to ultimate tensile strength (uts), however, the PW/Cycom laminated showed higher fatigue resistance, with an interval between 85-92% of uts. About the thermal behavior, it was observed an improvement in properties with the addition of carbon... (Complete abstract click electronic access below)

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:12Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-02-09Bitstream added on 2014-06-13T19:35:03Z : No. of bitstreams: 1 shiino_my_me_guara.pdf: 3902027 bytes, checksum: 6b8b675f5c370e00fec9d53eaca61233 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / O setor de transporte tem buscado materiais mais leves e resistentes para melhorar a autonomia e capacidade de seus veículos. Os materiais compósitos de carbono/epóxi têm superado as expectativas neste setor e volumes significativos já são empregados na aviação. Com a intenção de produzir peças estruturais para a área aeronáutica, esse trabalho propôs a implantação do processo RTM e produção de compósitos com potencial aplicação estrutural. O foco principal do trabalho foi o domínio total na montagem e uso do equipamento RTM para um perfeito funcionamento de forma a evitar erros de processamento. O trabalho envolveu a seleção de fibras de carbono e resina epóxi com a intenção de atingir propriedades superiores às ligas metálicas, principalmente as ligas de alumínio. Para estabelecer os parâmetros de processo a resina foi caracterizada quanto a viscosidade e propriedades físico-químicas. Para avaliar a qualidade do processamento foi utilizada a inspeção por ultrassom A-scan e C-scan e as frações volumétricas foram determinadas através da metodologia da norma ASTM D 3171-09. Já para a caracterização do compósito foram utilizados ensaios mecânicos de tração, flexão, fadiga e posterior análise fractográfica. Análise térmica foi empregada para assegurar que o material foi completamente curado. Ao todo foram avaliados dois tipos de laminados: com 4 camadas do tipo Satin Harness (5HS) com 10 camadas e quasi-isotrópico com 5 camadas / The transportation field has searched for lighter and strengthen materials to improve the autonomy and load capacity of their vehicles. Carbon/epoxy composites have overcome the expectations in this field. Appreciable volume production of structural components has been employed in aircrafts. Aiming of producing structural parts for aeronautic field, this research work focuses on the implementation of the RTM process and production of carbon/epoxy composite material. The work had the main objective on managing the assemblage and usage for a perfect operation, in the way to avoid processing errors. The research involved the right choice of carbon fibers and resin system intended to obtain higher specific properties than the metal alloys, mainly the aluminum alloys. Process parameters were established by characterizing the viscosity and physicalchemical properties. The quality assessment was performed by A-Scan and CScan ultrasonic test and volumetric fractions analysis. The volumetric analysis were performed according to the ASTM 3171-09. Besides the evaluation of material performance it was performed tensile, flexure, fatigue tests and further fractographic analysis was carried out using scanning electron microscopy. To ensure complete cure thermal analyze was performed. Two laminate architectures were evaluated: one 10 plies Harness Satin (5HS) and one 5 plies quasi-isotropic laminate

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:28:57Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-02-06Bitstream added on 2014-06-13T19:58:20Z : No. of bitstreams: 1 martinelli_csm_me_sjc.pdf: 814469 bytes, checksum: dfa445fa4dc04c7f8a427a22c45d5eca (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / A proposta deste estudo foi avaliar (1) a influência da rugosidade superficial e diferentes métodos de tratamento de superfície, na resistência de união da interface liga de Co-Cr/ RAAT; (2) a influência de diferentes métodos de envelhecimento na resistência de união da interface liga de Co-Cr/ RAAT, submetida a diferentes métodos de tratamento de superfície. Foram confeccionados 120 espécimes metálicos, em liga de Co-Cr. A superfície menor dos espécimes (Ø=7mm) foi regularizada e submetida a análise em M.O., rugosímetro e análise superficial qualitativa em MEV e quantificação de óxidos em EDS. Foi realizado o protocolo de jateamento (Al2O3), em sequência, análise em M.O., rugosímetro, MEV e EDS. Os espécimes foram divididos aleatoriamente em quatro grupos (n=30): C – controle; P – primer para metal; O – opaco cerâmico; PO – primer e opaco. Após inclusão em mufla os espécimes foram acrilizados em ciclo curto de polimerização. Após desinclusão os espécimes foram subdivididos em três grupos (n=10): armazenagem em água (A), ciclagem mecânica (CM) e ciclagem térmica (CT). Foi realizado o teste de resistência ao cisalhamento (100 Kgf – 0,5mm/min). Os resultados obtidos foram submetidos à analise estatística de alteração percentual e testes não paramétricos Kruskal-Wallis e Dunnet. Os postos médios obtidos foram: PA 103.75A; PT 99.70A; POA 86.150AB; OA 71.250ABC; OCT 77.50ABC; POCM 74.85ABC; OCM 70.55ABC; CA 44.70BCD; POCT 42.950BCD; PCM 25.60CD; CCT 14.50D; CCM 14.50D. A microrretenção mecânica não é um método efetivo para união liga de Co-Cr/ RAAT, sendo a abordagem combinada (jateamento + tratamento de superfície) mais eficiente implicando em melhores resultados de resistência de união para esta interface. Os métodos de envelhecimento influenciaram negativamente a resistência de união dos grupos C, P e PO / The propose of this study was to (1) evaluate the influence of surface roughness and the different chemical treatment method for surface treatment in the shear bond strength on the interface for the Co-Cr alloy/ RAAT; (2) the influence of different aging methods in the shear bond strength on the interface for the Co-Cr alloy/RAAT, submitted to different methods of surface treatment. 120 specimens of Co-Cr were obtained. The smaller surface (Ø: 7 mm) was regularized and analyzed in optical microscopy (OP), roughness and MEV. The elements were quantified by EDS. The sandblasting protocol (Al2O3) was done followed by further MO, roughness, MEV and EDS analysis. The specimens were randomly divided into four groups (n = 30): C- control; P – metal primer; O – ceramic opaque; and PO – primer and opaque. After flask inclusion the specimens were acrilyzed in short polymerization cycle. The specimens were deflasked and subdivided in tree groups (n = 10): water storage (A), mechanical cycling (CM) and thermic cycling. Shear bond strength test (100 kgf – 0,5 mm/ min) was performed, and data were statistical analyzed with altered percentage, Kruskal-Wallis and Dunnet tests. The median values obtained were: PA 103.75A; PT 99.70A; POA 86.150AB; OA 71.250ABC; OCT 77.50ABC; POCM 74.85ABC; OCM 70.55ABC; CA 44.70BCD; POCT 42.950BCD; PCM 25.60CD; CCT 14.50D; CCM 14.50D. The mechanical micro-retention is not an effective method to union Co-Cr alloy/RAAT. Combined method (sandblasting + surface treatment) was the most efficient resulting in greatest values of shear bond strength. Aging methods negatively influenced in the bonding strength of the C, P and PO groups

Resumo: O objetivo do presente estudo foi avaliar in vitro, utilizando-se cultura de células osteoblásticas MC3T3-E1, a interação da superfície da liga Ti-15Mo usinada, com irradiação por feixe de laser sem e com recobrimento de apatitas obtidas pelo método biomimético, empregando-se solução SBF(Simulated Body Fluid) padrão e SBF modificada. As superfícies obtidas foram caracterizadas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Difração de raios X (DRX), medidas de ângulo de contato e a camada de apatita foi avaliada também por Espectroscopia no Infra Vermelho Transformada de Fourier (FTIR). As avaliações in vitro foram realizadas utilizando as superfícies: usinada (U), modificada por feixe de laser (LA), modificada por laser e recoberta com SBF padrão (HA) e modificada por laser e recoberta com SBF modificada (AP). Os parâmetros biológicos avaliados foram: adesão, proliferação, contagem do número de células e conteúdo de proteína total. A morfologia celular, adesão e proliferação foram avaliadas por MEV, e a contagem de células utilizando-se hemocitômetro e azul de Tripan. Os estudos indicaram que o grupo AP apresentou os melhores resultados em relação à adesão, proliferação e contagem do número de células, seguido pelo grupo HA, LA e U respectivamente. Nas análises de conteúdo de proteína total, após 14 dias de cultura, o grupo LA obteve o melhor resultado, seguido por AP, HA e U respectivamente. Portanto, pode-se concluir que a modificação da superfície da liga Ti- 15Mo por feixe de laser, seguida do emprego do método biomimético utilizando-se solução SBF modificada possibilitou a obtenção de condições biológicas favoráveis para aplicação desta liga como dispositivo ortopédico e odontológico / Abstract: The aim of this study was the in vitro evaluation of interaction surface, using cell culture osteoblastic MC3T3-E1, on Ti-15Mo alloy with machined surface, and with the surface modified by laser beam irradiation with and without coating of apatite obtained by biomimetic solution SBF (Simulated Body Fluid) standard and modified. The surfaces were characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), measurements of contact angle and the layer of apatite was also evaluated by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Evaluations were performed in vitro using the machined surfaces (U), modified by laser beam (LA), modified by laser and covered with standard SBF (HA) and modified by laser and covered with modified SBF (AP). The parameters evaluated were: adhesion, counting the number of cells and total protein content. Cell morphology, adhesion and proliferation were evaluated by SEM, and the cell count using hemocytometer and Trypan blue. The results indicated that the AP group showed better results of adhesion, proliferation and counting the number of cells, followed by the group HA, LA and U respectively. In the analysis of total protein content, after 14 days of culture, the LA group had the best result, followed by AP, HA and U respectively. Based on these results, it can be concluded that the modification on Ti- 15Mo alloy using laser beam irradiation, followed by biomimetic method for surface coating using SBF modified solution showed favorable biological conditions for application and development of orthopedic and dental devices / Orientador: Antonio Carlos Guastaldi / Coorientador: Nilson Tadeu Camarinho Oliveira / Banca: Carla dos Santos Riccardi / Banca: Joni Augusto Cirelli / Mestre

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2008. / Submitted by wesley oliveira leite (leite.wesley@yahoo.com.br) on 2009-09-22T19:07:03Z No. of bitstreams: 1 2008_TarsiloBezerraInacio.pdf: 2154422 bytes, checksum: 306ee4d49b6961866bc76702abd813fd (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2009-10-01T17:04:40Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2008_TarsiloBezerraInacio.pdf: 2154422 bytes, checksum: 306ee4d49b6961866bc76702abd813fd (MD5) / Made available in DSpace on 2009-10-01T17:04:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2008_TarsiloBezerraInacio.pdf: 2154422 bytes, checksum: 306ee4d49b6961866bc76702abd813fd (MD5) Previous issue date: 2008-12-01 / Critérios para avaliação da resistência em fadiga baseados em modelos de plano crítico são eficientes quando utilizados em componentes metálicos submetidos a altos ciclos de carregamento. Contudo, existe um elevado custo associado ao processo de busca pelo plano crítico, que é o plano que contém a máxima amplitude de tensão cisalhante. Neste sentido, a proposta deste trabalho é desenvolver uma ferramenta numérica capaz de reduzir significativamente o tempo computacional associado ao processo de busca pelo plano crítico. Inicialmente implementou-se a rotina para avaliar a tensão cisalhante e normal em “todos” os planos de corte de um ponto material em corpos submetidos a condições de flexão e torção. Na etapa seguinte, o processo foi otimizado com a utilização de um Algoritmo Genético. O código resultante fornece a orientação do plano crítico, a máxima amplitude de tensão cisalhante equivalente, a máxima tensão normal e o tempo total no processo de busca. Os resultados revelaram que o método do Algoritmo Genético foi capaz de provocar uma forte redução no custo computacional para determinar o plano crítico material. Além disso, é um método simples de ser implementado e sempre converge para o máximo global com bons níveis de precisão. Neste sentido, a rotina proposta constitui uma ferramenta poderosa e importante que pode ser combinada com um método de elementos finitos para desenvolver componentes reais submetidos a carregamentos complexos de fadiga. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT / Critical plane approaches are efficient methods to estimate the resistance of metallic components submitted to high-cycle fatigue. However, there is a high cost associated to the searching for the critical plane, which is the plane that contains the largest shear stress amplitude. In this setting, the aim of this work is to develop a numerical tool capable to significantly reduce the computational cost associated to process the critical plane search. Initially, a routine was implemented to evaluate shear and normal stresses in all material planes of a material point of bodies submitted to bending and torsion conditions. In the next step, the process was optimized using a Genetic Algorithm. The final code finds the critical plane orientation, the maximum equivalent shear stress amplitude, maximum normal stress and total time of search process. The results revealed that the Genetic Algorithm method was capable to provoke a strong reduction in the computational cost to find the material critical plane. Further, it is simple to implement and always find the global maximum with very good levels of accuracy. In this setting, the proposed routine constitutes an important and powerful tool that can be combined with the finite element method to design real components under complex fatigue loadings.