O presente trabalho investiga o comportamento da chapa de latão C268, com 0,50 mm de espessura, quando exposto ao processo de Estampagem Incremental de Chapas de Metal (Incremental Sheet Metal Forming -ISMF). Especificamente para a pesquisa, foram utilizadas as modalidades de Estampagem Incremental com Ponto Simples (Single Point Incremental Forming- SPIF) e Estampagem Incremental de Múltiplos Passes (Multi Pass Single Point Incremental Forming- MSPIF). Os experimentos foram baseados em uma geometria de tronco de pirâmide de base quadrada com 100 mm de lado e 45 mm de profundidade. Para as estratégias de estampagem foi atribuído, a estampagem helicoidal. Como resultado principal, foi verificado o ângulo de parede máximo atingido por cada processo de estampagem incremental. Adicionalmente, ensaios de tração, análise de deformações e de rugosidade da chapa de latão foram realizados. Todos os seus resultados estão detalhados na investigação. Para os parâmetros adotados nestes experimentos, o ângulo de parede obtido por SPIF foi maior do que pelo estudo proposto por MSPIF. / The present study investigates the performance of the brass plate C-268 with 0.50 mm thickness, when exposed to Incremental Sheet Metal Forming (ISMF). Specifically for research, it was used the modalities Single Point Incremental Forming (SPIF) and Multi Pass Single Point Incremental Forming (MSPIF). The experiments were based on a truncated pyramid geometry with square base 100 mm side and 45 mm depth. For forming strategies has been assigned, the helical forming. As the main outcome, it was found the maximum wall angle achieved by each process of incremental printing. In addition, tensile tests, analysis of deformation and roughness of the brass sheet were performed. All results are detailed in the investigation. For the parameters used in these experiments, the wall angle obtained by SPIF is greater than the study proposed by MSPIF.

This thesis deals with the design of the single point crank press with direct drive. This crank press has an O-shaped stand and an access to the workspace from two sides. The introductory part of this paper describes the principles of mechanical presses drives, drives arrangement presses with direct drive and some conceptual solution stands. The main part of this work is a calculation of basic drive parameters of the press. There are suggested three design variants. The design with the smallest space requirements and good accessibility to the press working space was chosen. The calculation of the main shaft, the input shaft to the planetary gearing and calculation of brake sizes and the planetary gear to the bend and tough was done. Part of this thesis also includes technical drawing of the assembly press, technical drawing of the drive press, technical drawing of the stand a technical drawing of the satelitte gearwheel.

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Neste trabalho, diferentes tipos de microestruturas foram geradas por torneamento com ferramenta de diamante de ponta única e microendentação para serem replicadas através da prensagem a quente. Testes foram realizados para ser avaliada a geração destas microestruturas por dois métodos distintos: microdeformação e microusinagem, planejados para observar a replicação gerada por marca de endentação Vickers (piramidal) e, remoção de material (torneamento com ferramenta de diamante de ponta única). Uma revisão no processo de manufatura aplicada para a replicação de microestruturas é apresentada. Os materiais usados como molde e réplica foram o cobre eletrolítico e o polimetilmetacrilato (PMMA), respectivamente. Inicialmente, a usinabilidade do cobre eletrolítico foi avaliada sob diferentes condições de corte, a fim de determinar parâmetros apropriados de torneamento para obter um fino revestimento de superfície final (rugosidade). Observou-se que para avanços (f) de 10 mícrons por revolução e profundidade de corte (ap) de 5 mícrons, a superfície apresentou um baixo valor de rugosidade, isto é, 2,81 nm para rugosidade média (Ra) e 13,4 nm para rugosidade teórica (Rt). Além disso, observou-se que a microestrutura do material mostrou-se de fundamental papel na rugosidade, por conta da recuperação elástica dos grãos devido a anisotropia da estrutura policristalina do cobre. As microestruturas geradas para a replicagem foram: a) lente esférica, b) perfil senoidal e sulcos concêntricos. Os resultados mostraram que é viável a reprodução, com boa conformidade das microestruturas, por meio de prensagem a quente. Observou-se que as bordas e as superfícies finas com rugosidade em torno de 10 nm rms foram bem replicadas. / In this work, different types of microstructures were generated by single point diamond turning and microindentation for will replicated through the hot embossing. Tests were carried to evaluate the generation these microstructures by two distinct methods: micro-deformation and micro-machining, planned to observe the replication of the mark generated by the Vickers indenter (Pyramidal) and the latter by material removal (single point diamond turning). A review on several manufacturing processes applied to replication of microfeatures, is presented. The materials used as mould and replication workpiece were electroless copper and polymethylmethacrylate (PMMA), respectively. Initially, the machinability of electroless copper was evaluated under different cutting conditions to determinate appropriate turning parameters to obtain very fine surface finish (roughness). It was observed that for f = 10 microns of revolution (feed rate) and ap = 5 microns (depth of cut), the surface presented the roughness’ lowest value, i.e., 2,81 nm to medium roughness (Ra) and 13,4 nm to theoretical roughness (Rt). Moreover, it was observed that the microstructure of the material plays a fundamental role on roughness, because of the elastic recovery of grains due to the anisotropy of the polycrystalline structure of copper. The microfeatures generated were the following: a) spherical lens, b) sinusoidal profile and concentrical grooves. The results showed that it is feasible to reproduce, with good agreement, the microfeatures by means of hot embossing. It was observed that thin edges and fine surfaces with roughness around 10 nm rms were well replicated.

Este trabalho apresenta o estudo da usinabilidade do carbeto de tungstênio utilizando ferramenta de ponta única de diamante em máquina-ferramenta de ultraprecisão, em função de suas características de dureza e potencial uso para a fabricação de micromoldes. O carbeto de tungstênio foi submetido a testes de usinagem para a determinação dos parâmetros e condições de corte para a obtenção do regime dúctil. Com base nos resultados experimentais, concluiu-se que, para os avanços da ordem de 1 micrômetro/revolução, a profundidade de corte (AP) não influencia significativamente no resultado de rugosidade, e para avanços da ordem de 3 micrômetros, observou-se a formação de trincas na superfície usinada. Além disso, para profundidades de corte maiores que 2 micrômetros as ferramentas começaram a apresentar lascamento. Para avanços da ordem de 3 micrômetro/revolução a profundidade de corte influencia com grande significância no resultado de rugosidade. O torneamento do carbeto de tungstênio usando ferramenta de diamante mostrou-se uma opção viável à produção de superfícies em termos de qualidade óptica, porém, devido à alta dureza deste material (aproximadamente 4000HV) o torneamento mostrou ser um processo com condições limitadas para a produção em série de componentes em função da baixa taxa de remoção de material permitida. É possível que a retificação possa apresentar taxas de remoção maiores, mesmo assim garantindo a qualidade superficial atingida pelo torneamento, ou ainda, a retificação possa ser usada como um processo no desbaste do carbeto de tungstênio seguido do torneamento de ultraprecisão como a opção viável a produção em série de peças. Portanto, para obtenção de uma superfície de carbeto de tungstênio sem danos e com acabamentos da ordem de 10 nm, a profundidade e avanço não devem ser superiores a 2,00 \'mü\'micrômetros e 1,00 \'mü\'micrômetro/revolução, respectivamente, usando uma ferramenta de diamante nova com ângulo de saída 0 ou - 25 graus e uma máquina-ferramenta de alta precisão. / The single point diamond turning of the Tungsten Carbide is presented. The motivation for this study is the material´s high hardness and potential application for micromolds. A Tungsten Carbide sample was subjected to tests for determination of cutting parameters to achieve the ductile regime of material removal. Based on experimental results it was concluded that for the feedrate of the order of 1 \'mü\'m/revolution, the depth of cut did not affect significantly the surface roughness and for federates of the order of 3 \'mü\'m/revolution, the dept of cut influenced results of roughness greatly. Moreover chipping of the cutting edge occurs for depths of cut of 2 \'mü\'m. The diamond machining of tungsten carbide tool using diamond proved to be a viable option for the production of surfaces in terms of optical quality, but due to the high hardness of this material (approximately 4000HV) showed to be limited for the production of components due to the low material removal rate. It is possible that the precision griding may provide higher material removal rates along with the acceptable surface quality. Therefore, to obtain a damage free surface in tungsten carbide with surface finishe in the order of 10 nm, cutting depth and feedrate should be smaller than 2,00 \'mü\'m and 1,00 \'mü\'m/revolution, respectively, using a new diamond tool with rake angle of 0 or - 25 degrees and precision high stiffness machine tool.

Este trabalho apresenta o estudo da usinabilidade do carbeto de tungstênio utilizando ferramenta de ponta única de diamante em máquina-ferramenta de ultraprecisão, em função de suas características de dureza e potencial uso para a fabricação de micromoldes. O carbeto de tungstênio foi submetido a testes de usinagem para a determinação dos parâmetros e condições de corte para a obtenção do regime dúctil. Com base nos resultados experimentais, concluiu-se que, para os avanços da ordem de 1 micrômetro/revolução, a profundidade de corte (AP) não influencia significativamente no resultado de rugosidade, e para avanços da ordem de 3 micrômetros, observou-se a formação de trincas na superfície usinada. Além disso, para profundidades de corte maiores que 2 micrômetros as ferramentas começaram a apresentar lascamento. Para avanços da ordem de 3 micrômetro/revolução a profundidade de corte influencia com grande significância no resultado de rugosidade. O torneamento do carbeto de tungstênio usando ferramenta de diamante mostrou-se uma opção viável à produção de superfícies em termos de qualidade óptica, porém, devido à alta dureza deste material (aproximadamente 4000HV) o torneamento mostrou ser um processo com condições limitadas para a produção em série de componentes em função da baixa taxa de remoção de material permitida. É possível que a retificação possa apresentar taxas de remoção maiores, mesmo assim garantindo a qualidade superficial atingida pelo torneamento, ou ainda, a retificação possa ser usada como um processo no desbaste do carbeto de tungstênio seguido do torneamento de ultraprecisão como a opção viável a produção em série de peças. Portanto, para obtenção de uma superfície de carbeto de tungstênio sem danos e com acabamentos da ordem de 10 nm, a profundidade e avanço não devem ser superiores a 2,00 \'mü\'micrômetros e 1,00 \'mü\'micrômetro/revolução, respectivamente, usando uma ferramenta de diamante nova com ângulo de saída 0 ou - 25 graus e uma máquina-ferramenta de alta precisão. / The single point diamond turning of the Tungsten Carbide is presented. The motivation for this study is the material´s high hardness and potential application for micromolds. A Tungsten Carbide sample was subjected to tests for determination of cutting parameters to achieve the ductile regime of material removal. Based on experimental results it was concluded that for the feedrate of the order of 1 \'mü\'m/revolution, the depth of cut did not affect significantly the surface roughness and for federates of the order of 3 \'mü\'m/revolution, the dept of cut influenced results of roughness greatly. Moreover chipping of the cutting edge occurs for depths of cut of 2 \'mü\'m. The diamond machining of tungsten carbide tool using diamond proved to be a viable option for the production of surfaces in terms of optical quality, but due to the high hardness of this material (approximately 4000HV) showed to be limited for the production of components due to the low material removal rate. It is possible that the precision griding may provide higher material removal rates along with the acceptable surface quality. Therefore, to obtain a damage free surface in tungsten carbide with surface finishe in the order of 10 nm, cutting depth and feedrate should be smaller than 2,00 \'mü\'m and 1,00 \'mü\'m/revolution, respectively, using a new diamond tool with rake angle of 0 or - 25 degrees and precision high stiffness machine tool.

Nos últimos anos, avanços consideráveis foram alcançados no estudo da usinabilidade de materiais frágeis tais como cristais semicondutores, vidros ópticos, cerâmicas, etc. em função da demanda por processos mais rápidos de fabricação de superfícies com formas complexas para aplicações nos campos da óptica e eletrônica. A ductilidade apresentada por monocristais de silício durante a usinagem tem sido explicada através das Teorias de Mecânica de Fratura. Recentemente, algumas teorias novas foram apresentadas para justificar esta ductilidade. Foi proposto que a ductilidade de monocristais semicondutores seria provavelmente o resultado final de uma transformação de fase induzida por pressão/tensão durante o corte. Neste trabalho, a diferença entre os modos dúctil e frágil no Torneamento com Ferramenta de Ponta Única de superfícies de silício monocristalino foram investigadas através da técnica de espalhamento Raman. Nas condições que proporcionam o regime dúctil, existem sempre uma amorfização superficial nas amostras, denunciadas através da ativação de uma banda óptica Raman mais larga em 470 cm-1. Esta fase amorfa pode ser considerada resultante da transição de fase a qual o silício pode ter sofrido. Por outro lado, para as condições onde o modo frágil é predominante, somente um pico óptico agudo de fonon em 521.6 cm-1 está presente no espectro Raman. Baseado nas medições que determinados parâmetros de corte, tais como a profundidade de corte e a espessura crítica do cavaco, apresentaram este estudo propõe que o regime dúctil não deve possuir uma faixa definida e fixa de valores para os parâmetros críticos mas, ao invés disso, estes seriam dependentes da extensão da camada transformada induzida por pressão/tensão gerada pela interação entre a ponta/aresta da ferramenta de corte com a peça durante a usinagem. Esta proposta se baseia na comparação entre os valores obtidos e os medidos por outros autores que mostram que a extensão da fase amorfa observada após processos de deformação mecânica (p.e., indentação, riscamento, polimento, nanoretificação e torneamento com ferramenta de ponta única de diamante) encontram-se na mesma faixa de valores encontrados para os parâmetros críticos (100-200 nm). Finalmente, foi demonstrado, através de observações da topografia de ambos, cavacos e superfícies geradas, realizadas com MEV e MFA, que este tipo de análise pode oferecer explicações significativas sobre os mecanismos de remoção de material em ação durante a usinagem e também sobre o estado microscópicos da ferramenta de diamante. / In recent years, considerable progress has been made on the study of the machinability of fragile materials such as semiconductors crystals, optical glasses, ceramics, etc., because of the demand for faster fabrication processes of complex surface shapes for optoelectronic applications. The ductility presented by single crystal silicon during machining has been explained by fracture mechanics theories. Recently, some new theories have been presented in order to give another justify to this ductility. It was proposed that semiconductors single crystal ductility is likely the end result of a pressure/stress induced phase transformation during cutting. In this work, the difference between ductile and brittle mode single-point diamond turning on the surface of machined silicon samples were investigated using Raman scattering. In the ductile mode conditions of machining, there are always an amorphization of the surface samples, denounced by the activation of the broad Raman optical band at 470 cm-1. This amorphous phase can be considered resulted from the phase transiton which silicon might have suffered. Contrary to the findings, in the brittle mode conditions, only the sharp optical phonon peak at 521.6 cm-1 is present in Raman spectra. Based on the observation that certain cutting parameters such as cutting depth and critical chip thickness, e.g., the point where ductile-to-brittle transition occurs, somehow presents values in the same range (100-200 nm) that the amorphous phase layer depth extension after mechanical deformation. (p.e., indentation, scratching, polishing, nanogrinding and single point diamond turning) observed in the literature, it is propposed that the ductile regime has not a definite range of values for the critical parameters but instead, it is dependent of the extension of the phase transformed layer induced by pressure/stress generated by the tool tip/edge interaction with workpiece during machining. Finally, it is shown that observation of topography and morphology of chip and the surface generated through SEM and AFM can offer very significant explanation of the material removal mechanisms in action during the current machining cut and diamond tool state.

Nos últimos anos, avanços consideráveis foram alcançados no estudo da usinabilidade de materiais frágeis tais como cristais semicondutores, vidros ópticos, cerâmicas, etc. em função da demanda por processos mais rápidos de fabricação de superfícies com formas complexas para aplicações nos campos da óptica e eletrônica. A ductilidade apresentada por monocristais de silício durante a usinagem tem sido explicada através das Teorias de Mecânica de Fratura. Recentemente, algumas teorias novas foram apresentadas para justificar esta ductilidade. Foi proposto que a ductilidade de monocristais semicondutores seria provavelmente o resultado final de uma transformação de fase induzida por pressão/tensão durante o corte. Neste trabalho, a diferença entre os modos dúctil e frágil no Torneamento com Ferramenta de Ponta Única de superfícies de silício monocristalino foram investigadas através da técnica de espalhamento Raman. Nas condições que proporcionam o regime dúctil, existem sempre uma amorfização superficial nas amostras, denunciadas através da ativação de uma banda óptica Raman mais larga em 470 cm-1. Esta fase amorfa pode ser considerada resultante da transição de fase a qual o silício pode ter sofrido. Por outro lado, para as condições onde o modo frágil é predominante, somente um pico óptico agudo de fonon em 521.6 cm-1 está presente no espectro Raman. Baseado nas medições que determinados parâmetros de corte, tais como a profundidade de corte e a espessura crítica do cavaco, apresentaram este estudo propõe que o regime dúctil não deve possuir uma faixa definida e fixa de valores para os parâmetros críticos mas, ao invés disso, estes seriam dependentes da extensão da camada transformada induzida por pressão/tensão gerada pela interação entre a ponta/aresta da ferramenta de corte com a peça durante a usinagem. Esta proposta se baseia na comparação entre os valores obtidos e os medidos por outros autores que mostram que a extensão da fase amorfa observada após processos de deformação mecânica (p.e., indentação, riscamento, polimento, nanoretificação e torneamento com ferramenta de ponta única de diamante) encontram-se na mesma faixa de valores encontrados para os parâmetros críticos (100-200 nm). Finalmente, foi demonstrado, através de observações da topografia de ambos, cavacos e superfícies geradas, realizadas com MEV e MFA, que este tipo de análise pode oferecer explicações significativas sobre os mecanismos de remoção de material em ação durante a usinagem e também sobre o estado microscópicos da ferramenta de diamante. / In recent years, considerable progress has been made on the study of the machinability of fragile materials such as semiconductors crystals, optical glasses, ceramics, etc., because of the demand for faster fabrication processes of complex surface shapes for optoelectronic applications. The ductility presented by single crystal silicon during machining has been explained by fracture mechanics theories. Recently, some new theories have been presented in order to give another justify to this ductility. It was proposed that semiconductors single crystal ductility is likely the end result of a pressure/stress induced phase transformation during cutting. In this work, the difference between ductile and brittle mode single-point diamond turning on the surface of machined silicon samples were investigated using Raman scattering. In the ductile mode conditions of machining, there are always an amorphization of the surface samples, denounced by the activation of the broad Raman optical band at 470 cm-1. This amorphous phase can be considered resulted from the phase transiton which silicon might have suffered. Contrary to the findings, in the brittle mode conditions, only the sharp optical phonon peak at 521.6 cm-1 is present in Raman spectra. Based on the observation that certain cutting parameters such as cutting depth and critical chip thickness, e.g., the point where ductile-to-brittle transition occurs, somehow presents values in the same range (100-200 nm) that the amorphous phase layer depth extension after mechanical deformation. (p.e., indentation, scratching, polishing, nanogrinding and single point diamond turning) observed in the literature, it is propposed that the ductile regime has not a definite range of values for the critical parameters but instead, it is dependent of the extension of the phase transformed layer induced by pressure/stress generated by the tool tip/edge interaction with workpiece during machining. Finally, it is shown that observation of topography and morphology of chip and the surface generated through SEM and AFM can offer very significant explanation of the material removal mechanisms in action during the current machining cut and diamond tool state.

This thesis presents a novel system that estimates the point-of-gaze (where a person is looking at) remotely while allowing for free head movements and minimizing personal calibration requirements. The point-of-gaze is estimated from the pupil and corneal reflections (virtual images of infrared light sources that are formed by reflection on the front corneal surface, which acts as a convex mirror) extracted from eye images captured by video cameras. Based on the laws of geometrical optics, a detailed general mathematical model for point-of-gaze estimation using the pupil and corneal reflections is developed. Using this model, the full range of possible system configurations (from one camera and one light source to multiple cameras and light sources) is analyzed. This analysis shows that two cameras and two light sources is the simplest system configuration that can be used to reconstruct the optic axis of the eye in 3-D space, and therefore measure eye movements, without the need for personal calibration. To estimate the point-of-gaze, a simple single-point personal calibration procedure is needed. The performance of the point-of-gaze estimation depends on the geometrical arrangement of the cameras and light sources and the method used to reconstruct the optic axis of the eye. Using a comprehensive simulation framework developed from the mathematical model, the performance of several gaze estimation methods of varied complexity is investigated for different geometrical system setups in the presence of noise in the extracted eye features, deviation of the corneal shape from the ideal spherical shape and errors in system parameters. The results of this investigation indicate the method(s) and geometrical setup(s) that are optimal for different sets of conditions, thereby providing guidelines for system implementation. Experimental results with adults, obtained with a system that follows those guidelines, exhibit RMS point-of-gaze estimation errors of 0.4-0.6º of visual angle (comparable to the best commercially available systems, which require multiple-point personal calibration procedures). Preliminary results with infants demonstrate the ability of the proposed system to record infants' visual scanning patterns, enabling applications that are very difficult or impossible to carry out with previously existing technologies (e.g., study of infants' visual and oculomotor systems).

This thesis presents a novel system that estimates the point-of-gaze (where a person is looking at) remotely while allowing for free head movements and minimizing personal calibration requirements. The point-of-gaze is estimated from the pupil and corneal reflections (virtual images of infrared light sources that are formed by reflection on the front corneal surface, which acts as a convex mirror) extracted from eye images captured by video cameras. Based on the laws of geometrical optics, a detailed general mathematical model for point-of-gaze estimation using the pupil and corneal reflections is developed. Using this model, the full range of possible system configurations (from one camera and one light source to multiple cameras and light sources) is analyzed. This analysis shows that two cameras and two light sources is the simplest system configuration that can be used to reconstruct the optic axis of the eye in 3-D space, and therefore measure eye movements, without the need for personal calibration. To estimate the point-of-gaze, a simple single-point personal calibration procedure is needed. The performance of the point-of-gaze estimation depends on the geometrical arrangement of the cameras and light sources and the method used to reconstruct the optic axis of the eye. Using a comprehensive simulation framework developed from the mathematical model, the performance of several gaze estimation methods of varied complexity is investigated for different geometrical system setups in the presence of noise in the extracted eye features, deviation of the corneal shape from the ideal spherical shape and errors in system parameters. The results of this investigation indicate the method(s) and geometrical setup(s) that are optimal for different sets of conditions, thereby providing guidelines for system implementation. Experimental results with adults, obtained with a system that follows those guidelines, exhibit RMS point-of-gaze estimation errors of 0.4-0.6º of visual angle (comparable to the best commercially available systems, which require multiple-point personal calibration procedures). Preliminary results with infants demonstrate the ability of the proposed system to record infants' visual scanning patterns, enabling applications that are very difficult or impossible to carry out with previously existing technologies (e.g., study of infants' visual and oculomotor systems).