O presente trabalho apresenta uma revisão bibliográfica sobre o processo de serramento por serra de fita, abordando fatores relativos ao desempenho de corte nas diversas operações deste processo. Na seqüência, apresentam-se os seguintes estudos específicos: características da madeira que exercem influência nas operações de serramento por serra de fita: o processo de serramento e; ferramentas de corte. A fim de se verificar os aspectos teóricos especificados na literatura para adequação do processo de serramento, efetuou-se um estudo de caso em uma serraria, usinando-se a espécie de madeira Pinus oocarpa em operação de desdobro com serra de fita vertical. Neste estudo, realizou-se a medição da potência consumida durante o corte com aquisição de dados em tempo real, a qual possibilitou calcular a potência de corte média. / The present work shows a bibliographical review on band sawing, in respect to the factors related to cutting performance during the several operations of such process. Moreover, the following studies are presented: wood characteristics influencing the band sawing; sawing process itself; and cutting tools. In order to check the theorical aspects encountered in the literature to adequate the sawing process, a case study in a sawmill plant has been carried out. Pinus oocarpa wood species has been machied by unfolding using a vertical bandsaw. The consumed power during the cutting process was measured by a data acquisition system in real time, what allowed the calculation of the average cutting power.

Como seguir com o crescimento da indústria, da economia e do consumo de energia de forma sustentável? No setor manufatureiro as máquinas-ferramentas são peças-chave nos processos de fabricação. Como saber se uma bomba, um motor ou outro elemento acessório é adequado para uma máquina-ferramenta específica? Normalmente, fabricantes se baseiam em sugestões dos fornecedores para selecionar tais elementos, o que resulta em um projeto ajustado pela experiência e por estimativas subjetivas, às vezes superestimando as dimensões do projeto por segurança. O objetivo deste trabalho é monitorar o consumo da energia elétrica durante a fase de uso da máquina-ferramenta, com o fim de explicar a demanda de energia em cada uma de suas tarefas, sugerindo diretrizes para o aperfeiçoamento do projeto desta nos seus componentes críticos. Esta dissertação apresenta uma cuidadosa revisão de livros e pesquisas anteriores, os quais direcionaram a etapa experimental. Assim, elegeu-se trabalhar em um centro de usinagem, o qual foi monitorado por um analisador de qualidade de energia. A metodologia experimental iniciou-se com a avaliação da eficiência energética da máquina-ferramenta em termos de fator de potência, a fim de trabalhar dentro dos parâmetros da legislação brasileira, e finalizou-se com o monitoramento do consumo de energia elétrica. Tal monitoramento foi feito em três cenários de usinagem: em vazio, a seco e com fluido, utilizando um mesmo plano de trabalho em todas as situações. Conclui-se que prognósticos de consumo de energia são possíveis se tempos e constantes do modelo apresentado são conhecidos para uma máquina-ferramenta específica, parâmetros que são influenciados pela experiência do operador. A medição do consumo de energia da máquina em vazio e com remoção permitiram conhecer o consumo de energia pela usinagem propriamente dita. Observou-se também que apenas a máquina-ferramenta consome 59% da energia total quando está usinando; as mudanças de velocidade não afetam o consumo de energia diferentemente da taxa de remoção de material; elementos auxiliares à usinagem não deterioram a eficiência energética da máquina, embora possam representar uma boa taxa percentual de gasto no consumo total; e a troca de ferramentas é mais eficiente na usinagem do que em vazio. / How to follow the growth of industry, economy and energy consumption in a sustainable way? In the manufacturing sector, the machine tools are key-parts in the processes. How can we know if a pump, an electric motor or another accessory element is adequate to a specific machine tool? Usually, the manufacturer relies on suggestions from suppliers to select those elements, resulting in a project adjusted by experience and subjective estimations, sometimes overestimating for security. The objective of the present work is to monitor the consumption of electric power during the useable phase, in order to map the energy demand in each of its tasks, thus suggesting guidelines for the improvement of the project to its critical components. This dissertation presents a thorough review of books and previous research, which has guided the experimental phase. Accordingly, it was chosen to work in a machining center, which was monitored by a power quality analyzer. The experimental methodology began with the evaluation of the energetic efficiency of the machine tool in terms of power factor, in order to work within the parameters of the Brazilian legislation, and ended up with electric energy consumption monitoring. Such monitoring was made in three machining scenarios: cutting air, cutting dry and with coolant, sing the same CNC workplan in all situations. The conclusions include that forecasting of energy consumption is possible if time and constants of the proposed model are known for a specific machine tool, parameters which are influenced by the experience gathered by the operator. The measurement of energy consumption during air cutting and removing material allowed to know the energy consumption of the machining operation itself. It was also observed that: the machine alone consumes 59% of the total energy when in operation; the energy consumption is not affected by speed changes, but by the material removal rate; auxiliary elements to the machining do not negatively affects the energy efficiency of the machine, although may represent considerable expenditure in total consumption; and, the exchange of tools is more efficient when removing material, than when air machining.

Corpos de prova de ferro fundido foram usinados com altíssima velocidade de corte. Tiveram diversos parâmetros de sua rugosidade medida e os valores foram descritos em gráficos de rugosidade versus profundidade de corte. Pode-se verificar uma dependência entre estes valores, mas não o clássico aumento da rugosidade conforme o aumento da profundidade de corte. Realizou-se ainda a inspeção metalográfica dos corpos de prova na busca de mudanças de fase na estrutura ferro carbono que indiquem temperaturas elevadas no local, causadas pela alta velocidade de corte. / Cast iron test parts were high-speed machined. They had several roughness parameters measured and these values were plotted on roughness versus depth of cut charts. It could be noticed a relation between these values, but not the classical roughness increase due to the increase of depth of cut. Moreover, the metalographical analisys was performed for these test parts, in a search for phase changes on the carbon-iron structure which indicate high temperatures at the region, caused by the high cutting speed.

O objetivo deste trabalho é avaliar a influência sobre o número de swirl e desempenho do motor diesel a partir de cabeçotes fabricados com variação no posicionamento relativo dos dutos de admissão em duas direções perpendiculares. Inicialmente definiu-se que o valor a ser deslocado seria de 1 milímetro, e então para cada combinação entre os dutos de admissão curto e longo deveria ser fabricado um número mínimo de seis cabeçotes para posteriores ensaios em bancada com dinamômetro. Após a fundição fabricar as nove combinações definidas, sendo uma delas com os eixos em suas condições nominais, isto é, sem o deslocamento de um milímetro, obtiveram-se um total de 60 cabeçotes. Os cabeçotes foram então controlados em máquina tridimensional, usinados e montados todos os seus componentes e enviados para a medição do número de swirl em máquina desenvolvida especialmente para este teste. Para cada cabeçote mediu-se o número de swirl duas vezes, e em seguida cada uma das nove combinações foram ensaiadas no mesmo dinamômetro e avaliados os respectivos parâmetros: consumo específico de combustível, curva de torque e emissão de poluentes. Para cada combinação mediu-se a curva de torque duas vezes e mediu-se três vezes o ciclo de emissões com treze pontos (ESC). Nos resultados de swirl, três combinações apresentaram-se fora dos limites da tolerância, uma abaixo do mínimo da tolerância em 22,7% e as outras duas além do máximo da tolerância em respectivamente 18,2% e 17,8%. Nos resultados de dinamômetro, nenhuma combinação se apresentou fora dos limites estabelecidos para o modelo de motor ensaiado nos seguintes parâmetros: consumo específico de combustível, torque e emissões de CO, HC, MP e NOx. / The main purpose of this work is to evaluate the influence on the swirl number and the engine diesel performance based on cylinder heads produced with variation on relative positioning of inlet ports in two perpendicular directions. Firstly, it was defined that the value to be displaced would be 1 millimeter, and then for each combination between the short and the long inlet ports should be produced a minimum of six cylinder heads for further testing on the dynamometer. After the foundry production of the defined nine combinations, one of them having the axis in their nominal positions, i.e. without the displacement of 1 millimeter, a total of 60 cylinder heads were obtained. These cylinder heads were measured in a tridimensional machine, machined and all of their components were assembled and their swirl number were measured in the machine developed specially for this method. For each cylinder head the swirl number was measured twice and after that all nine combinations were performed at the same dynamometer and the following parameters were evaluated: fuel consumption, torque curve and pollutants emission. For each combination the torque curve was measured twice and the thirteen point\'s emissions cycle (ESC) was measured three times. Concerning the swirl results, three combinations ended up out of the tolerance limits, one of them as 22,7% below the minimum tolerance and the other two as 18,2% and 17,8% respectively over the maximum tolerance. Regarding the dynamometer results, no combination ended up out of defined tolerances for the kind of engine tested in the following parameters: fuel consumption specific, torque and emissions of CO, HC, PM and NOx.

Neste trabalho verificou-se o efeito da ferroxidação a vapor, aplicada antes e após operações de usinagem de acabamento final, na resistência ao desgaste de um ferro sinterizado, utilizado na fabricação de bielas usadas em mancais de deslizamento de compressor hermético. Ensaios micrográficos, de dureza e microdureza, ensaios de perfil e circularidade, testes de vida acelerados em um compressor hermético doméstico de refrigeração e ensaios de microdesgaste, usando-se o mesmo tipo de óleo aplicado em compressores, ou abrasivos com diferentes granulometrias, foram realizados em peças e amostras com e sem a camada ferroxidada. Verificou-se que a camada ferroxidada apresentou valores de durezas superiores ao do substrato em 130%. No caso das amostras ferroxidadas, os resultados indicaram significativa melhora na resistência ao desgaste tanto no teste de aplicação direta no compressor, demonstrado nos testes de perfis e de circularidades, como nos ensaios de microdesgaste, evidenciando a grande efetividade desse tratamento no aumento da resistência ao desgaste nas condições testadas neste trabalho. / The intent of this work was to verify the effect of steam treatment applied before and after finishing machining operations on wear resistance of sintered steel used in the manufacturing of connecting rod applied in sliding bearings of hermetic compressor. Micrographic tests, hardness and micro hardness, test profile and roundness, accelerated endurance test in domestic refrigeration hermetic compressor and micro wear test using the same oil used in the compressor or abrasive with different grain size were made on parts and samples with and without oxide layer. It was verified that the oxide layer indicated hardness values over 130% than that of the substrate. In the case of layer oxide, the results showed significant improvement on wear resistance in the direct compressor application shown by test profile and roundness as well as micro wear test, showing the high efficiency of treatment increasing the wear resistance in the conditions tested in this work.

O desenvolvimento de sistemas laser com pulsos ultracurtos trouxe a possibilidade de usinagem de estruturas muito pequenas em praticamente qualquer tipo de material. Neste trabalho foi dada continuidade a estudos já iniciados no Centro de Lasers e Aplicações (CLA) com os materiais dielétricos, introduzindo a largura temporal dos pulsos laser como mais uma variável e utilizando os conhecimentos adquiridos para a determinação de limiares de ablação e parâmetros de incubação em alguns metais como: aço AISI 1045, aço inoxidável VI138, cobre eletrolítico e molibdênio. A ausência de calor no processo de ablação dos metais torna-se muito difícil, pois a criação de uma camada de íons é muito prejudicada pela mobilidade eletrônica ao seu redor. Assim a ablação de metais com pulsos ultracurtos, tem como principal mecanismo a explosão de fase associada a outros processos que também contribuem na ablação, porém em menor escala, como a explosão coulombiana e a fusão ultrarrápida. Além disso, propriedades como a constante de acoplamento elétron-fônon e a condutividade térmica assumem um papel importante e devem ser levadas em conta na investigação do processo de ablação dos metais. Este trabalho possibilitou a obtenção de parâmetros de operação nos quais o calor transferido para a rede é minimizado, possibilitando a microusinagem de precisão e alterações controladas na morfologia da superfície de diversos metais. Os resultados propiciaram assim condições para novos desenvolvimentos e aplicações práticas de usinagem com pulsos ultracurtos. / The development of laser systems with ultrashort pulses brought the possibility of machining very small structures in virtually any type of material. In this work was continued the studies already started in Lasers and Applications Center (CLA), with dielectric materials, introducing temporal width of the laser pulses as another variable, and using the knowledge acquired to determine ablation threshold and incubation parameters of some metals such as AISI 1045 steel, VI 138 stainless steel, electrolytic copper and molybdenum. The absence of heat in the ablation process of metals is much more difficult since the creation of a layer of ions is greatly impaired by electronic mobility in its vicinity. Hence, the ablation process for metals with ultrashort pulses, has, as main mechanism, the phase explosion associated with other processes that also contribute in the process, but on a smaller scale, such as Coulomb explosion and ultrafast fusion. Moreover, properties such as electron-phonon coupling constant and thermal conductivity play an important role and should be taken into account in investigating the process of ablation of metals. This study made it possible to obtain operation parameter where the heat transferred to the lattice is minimized, enabling precision micromachining and controlled changes in the morphology of the surface of metals. The results provided conditions for new developments and real machining applications with ultrashort pulses.

Nanotechnology research and its commercial applications have experienced an exponential rise in the recent decades. Although there are a lot of studies with regards to toxicity of nanoparticles, the exposure to nanoparticles, both in terms of quality and quantity, during the life cycle of nanocomposites is very much an unknown quantity and an active area of research. Unsurprisingly, the regulations governing the use and disposal of nanomaterials during its life cycle are behind the curve. This work aims to assess the quantity of nanoparticles released along the life cycle of nanocomposites. Machining operations such as milling and drilling were chosen to simulate the manufacturing of nanocomposites parts, and impact testing to recreate the end-of-life of the materials. Several studies have tried to simulate different release scenarios, however these experiments had many variables and in general were not done in controlled environments. In this study, a reliable method was developed to assess the release of nanoparticles during machining and low velocity impact of nanocomposites. The development and validation of a new prototype used for measurement and monitoring of nanoparticles in a controlled environment is presented, as along with release experiments on different nanocomposites. Every sample tested was found to release nanoparticles irrespective of the mechanical process used or the type of material tested. Even neat polymers released nanoparticles when subjected to mechanical forces. The type of matrix was identified to play a major role on the quantity of nanoparticles release during different process. Thermoset polymers (and especially polyester) were found to release a higher number concentration of particles, mainly due to their brittle properties. A polyester sample was found to release up to 48 times more particles than a polypropylene one during drilling. The nanofiller type and percentage used to reinforce the polymer is also a key point. For example, the addition of 2 wt.% of nano-alumina into polyester increases the number concentration of particles by 106 % following an impact. The nanofiller chosen and its quantity affect the mechanical properties and machinability of the composites and therefore its nanoparticles release potential. The mechanical process and the process parameters chosen were also found to be crucial with regards to the nanoparticles released with different trends observed during drilling and impact of similar materials. Finally, thermal ageing of nanocomposites increases the number concentration of nanoparticles released (by 8 to 17 times after 6 weeks).

A fabricação de ultraprecisão - com suas dimensões atingindo níveis submicrométricos - tem-se mostrado um campo de trabalho que exige combinação do que há de mais avançado nas áreas de materiais, metrologia e controle. Para alcançar tais níveis de precisão, é necessário que se garanta excelente desempenho de cada um dos componentes e/ou subsistemas das máquinas. Sendo o par tribológico mancal - eixo-árvore elemento vital para o desempenho de uma máquina ferramenta, e baseado em estudos recentes que mostram que mancais convencionais de rolamento estão rapidamente atingindo seu limite, o estudo dos mancais pressurizados externamente se impõe. Com a crescente demanda por rigidez e precisão de giro, tais mancais tem-se tornado solução convencional ao contrário de condição especial. Os mancais aerostáticos, em particular, apresentam alta precisão de giro, baixa geração de calor, ausência de desgaste, alto amortecimento e limpeza. Essas características os tornam bastante atrativos em ambientes de fabricação de ultraprecisão, especialmente na indústria óptica e eletrônica, como por exemplo, na fabricação de semicondutores. O presente trabalho objetiva a comparação entre os comportamentos de dois mancais aerostáticos, com restritor do tipo orifício e com material cerâmico poroso, em relação as capacidades de carga e rigidez. Os resultados indicam a superioridade do mancal com restritor poroso quanto a capacidade de carga e também em relação à rigidez. / Ultra-precision machining - whose dimensions can reach sub-micrometric levels - has been shown to be an area of work requiring a combination of the best of materials, metrology and control. To achieve such accuracy levels, it is necessary to guarantee excellent performance of every component and/or machine subsystems. Being the tribological associated pair bearing/spindle a vital element for the performance of a machine tool, and based on recent researches that show that rolling bearings are reaching their limit very quickly, there has been an increasing demand for aerostatic bearings. These present good characteristics of stiffness, radial and axial accuracy, low heating generation, wear resistance and cleanliness. These features make them quite attractive in ultra-precision manufacturing environments, specially in the optics and electronics industries, such as in the manufacturing of semiconductors. The present work compares the stiffness and load carrying capacity of orifice restrictor and porous ceramic aerostatic bearings. The results show the superiority of porous aerostatic bearings as to loading capacity as well stiffness.

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.

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.