Self-mated tribological systems based on multilayer micro/nanocrystalline CVD diamond coatings

The tribological response of multilayer micro/nanocrystalline diamond coatings grown by the hot filament CVD technique is investigated. These multigrade systems were tailored to comprise a starting microcrystalline diamond (MCD) layer with high adhesion to a silicon nitride (Si3N4) ceramic substrate, and a top nanocrystalline diamond (NCD) layer with reduced surface roughness. Tribological tests were carried out with a reciprocating sliding configuration without lubrication. Such composite coatings exhibit a superior critical load before delamination (130–200 N), when compared to the mono- (60–100 N) and bilayer coatings (110 N), considering ∼10 µm thick films. Regarding the friction behaviour, a short-lived initial high friction coefficient was followed by low friction regimes (friction coefficients between 0.02 and 0.09) as a result of the polished surfaces tailored by the tribological solicitation. Very mild to mild wear regimes (wear coefficient values between 4.1×10−8 and 7.7×10−7 mm3 N−1 m−1) governed the wear performance of the self-mated multilayer coatings when subjected to high-load short-term tests (60–200 N; 2 h; 86 m) and medium-load endurance tests (60 N; 16 h; 691 m).

Wear resistance of TiAlSiN thin coatings

In the last decades TiAlN coatings deposited by PVD techniques have been extensively investigated but, nowadays, their potential development for tribological applications is relatively low. However, new coatings are emerging based on them, trying to improve wear behavior. TiAlSiN thin coatings are now investigated, analyzing if Si introduction increases the wear resistance of PVD films. Attending to the application, several wear test configurations has been recently used by some researchers. In this work, TiAlSiN thin coatings were produced by PVD Unbalanced Magnetron Sputtering technique and they were conveniently characterized using Scanning Electron Microscopy (SEM) provided with Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), Atomic Force Microscopy (AFM), Electron Probe Micro-Analyzer (EPMA), Micro Hardness (MH) and Scratch Test Analysis. Properties as morphology, thickness, roughness, chemical composition and structure, hardness and film adhesion to the substrate were investigated. Concerning to wear characterization, two very different ways were chosen: micro-abrasion with ball-on-flat configuration and industrial non-standardized tests based on samples inserted in a feed channel of a selected plastic injection mould working with 30% (wt.) glass fiber reinforced polypropylene. TiAlSiN coatings with a small amount of about 5% (wt.) Si showed a similar wear behavior when compared with TiAlN reported performances, denoting that Si addition does not improve the wear performance of the TiAlN coatings in these wear test conditions.

Adhesion and wear behaviour of NCD coatings on Si3N4 by micro-abrasion tests

Nanocrystalline diamond (NCD) coatings offer an excellent alternative for tribological applications, preserving most of the intrinsic mechanical properties of polycrystalline CVD diamond and adding to it an extreme surface smoothness. Silicon nitride (Si3N4) ceramics are reported to guarantee high adhesion levels to CVD microcrystalline diamond coatings, but the NCD adhesion to Si3N4 is not yet well established. Micro-abrasion tests are appropriate for evaluating the abrasive wear resistance of a given surface, but they also provide information on thin film/substrate interfacial resistance, i.e., film adhesion. In this study, a comparison is made between the behaviour of NCD films deposited by hot-filament chemical vapour deposition (HFCVD) and microwave plasma assisted chemical vapour deposition (MPCVD) techniques. Silicon nitride (Si3N4) ceramic discs were selected as substrates. The NCD depositions by HFCVD and MPCVD were carried out using H2–CH4 and H2–CH4–N2 gas mixtures, respectively. An adequate set of growth parameters was chosen for each CVD technique, resulting in NCD films having a final thickness of 5 m. A micro-abrasion tribometer was used, with 3 m diamond grit as the abrasive slurry element. Experiments were carried out at a constant rotational speed (80 r.p.m.) and by varying the applied load in the range of 0.25–0.75 N. The wear rate for MPCVD NCD (3.7±0.8 × 10−5 m3N−1m−1) is compatible with those reported for microcrystalline CVD diamond. The HFCVD films displayed poorer adhesion to the Si3N4 ceramic substrates than the MPCVD ones. However, the HFCVD films show better wear resistance as a result of their higher crystallinity according to the UV Raman data, despite evidencing premature adhesion failure.

Influence of the abrasive particles size in the micro-abrasion wear tests of TiAlSiN thin coatings

Ball rotating micro-abrasion tribometers are commonly used to carry out wear tests on thin hard coatings. In these tests, different kinds of abrasives were used, as alumina (Al2O3), silicon carbide (SiC) or diamond. In each kind of abrasive, several particle sizes can be used. Some studies were developed in order to evaluate the influence of the abrasive particle shape in the micro-abrasion process. Nevertheless, the particle size was not well correlated with the material removed amount and wear mechanisms. In this work, slurry of SiC abrasive in distilled water was used, with three different particles size. Initial surface topography was accessed by atomic force microscopy (AFM). Coating hardness measurements were performed with a micro-hardness tester. In order to evaluate the wear behaviour, a TiAlSiN thin hard film was used. The micro-abrasion tests were carried out with some different durations. The abrasive effect of the SiC particles was observed by scanning electron microscopy (SEM) both in the films (hard material) as in the substrate (soft material), after coating perforation. Wear grooves and removed material rate were compared and discussed.

Micro-abrasion wear behaviour of TiAlCrSiN nanostructured coatings

The injection process of glass fibres reinforced plastics promotes the moulds surface degradation by erosion. In order to improve its wear resistance, several kinds of PVD thin hard coatings were used. It is well-known that nanostructures present a better compromise between hardness and toughness. Indeed, when the coating is constituted by a large number of ultra-thin different layers, cracks and interface troubles tend to decrease. However, it is not clear that these nanostructures present a better wear behaviour in erosion processes. In order to study its wear behaviour, a sputtered PVD nanostructured TiAlCrSiN coating was used. The substrate and film surfaces topography were analyzed by profilometry and atomic force microscopy techniques. Film adhesion to the substrate was evaluated by scratch tests. The surface hardness was measured with a Vickers micro-hardness tester. The wear resistance was evaluated by micro-abrasion with a rotating ball tribometer tests. Slurry of SiC particles in distilled water was used in order to provoke the surface abrasion. Different duration tests were performed in order to analyze the wear evolution. After these tests, the wear mechanisms developed were analyzed by scanning electron microscopy. Wear craters were measured and the wear rate was calculated and discussed. With the same purpose, coated inserts were mounted in an injection mould working with a 30% glass fibres reinforced polypropylene. After 45 000 cycles no relevant wear was registered.

Terminal defect analysis and classification methodology for automotive industry

The impact of end customer quality complaints with direct relationship with automotive components has presented negative trend at European level for the entire automotive industry. Thus, this research proposal is to concentrate efforts on the most important items of Pareto chart and understand the failure type and the mechanism involved, link and impact of the project and parameters on the process, ending it with the development of one of the company’s most desired tool, that hosted this project – European methodology of terminals defects classification, and listing real opportunities for improvement based on measurement and analysis of actual data. Through the development of terminals defects classification methodology, which is considered a valuable asset to the company, all the other companies of the YAZAKI’s group will be able to characterize terminals as brittle or ductile, in order to put in motion, more efficiently, all the other different existing internal procedures for the safeguarding of the components, improving manufacturing efficiency. Based on a brief observation, nothing can be said in absolute sense, concerning the failure causes. Base materials, project, handling during manufacture and storage, as well as the cold work performed by plastic deformation, all play an important role. However, it was expected that this failure has been due to a combination of factors, in detriment of the existence of a single cause. In order to acquire greater knowledge about this problem, unexplored by the company up to the date of commencement of this study, was conducted a thorough review of existing literature on the subject, real production sites were visited and, of course, the actual parts were tested in lab environment. To answer to many of the major issues raised throughout the investigation, were used extensively some theoretical concepts focused on the literature review, with a view to realizing the relationship existing between the different parameters concerned. Should here be stated that finding technical studies on copper and its alloys is really hard, not being given all the desirable information. This investigation has been performed as a YAZAKI Europe Limited Company project and as a Master Thesis for Instituto Superior de Engenharia do Porto, conducted during 9 months between 2012/2013.

Influence of the pre-treatments on the properties of biodegradable films from bovine hair

The replacement of conventional synthetic films and coatings by biodegradable alternatives reduces the use of non-renewable resources and waste disposal problems. Considering that Portugal is a major producer of leather, and consequently a large producer of related wastes, in this research, bovine hair was tested for the production of biodegradable films directly by thermo-compression, allowing waste valorisation and reduction of environmental pollution. The aim of this study was to determine the influence of the different pre-treatments performed by two processes (removal by mechanical action and removal by chemical process), applied to bovine hair, in order to obtain a biodegradable film with appropriate properties. Mechanical properties for these films were evaluated, namely strain at break, stress at break and Young modulus. Additionally colour, solubility and swelling in water were also studied. The mechanical removal hair only produced films with Na2S treatment. Chemical removed hair (immunization) depends of the pre-treatment and the degreasing with petroleum ether or sodium sulphide pre-treatment leads better mechanical properties. The results obtained indicated that the pre-treatments have an important role in the final properties of biodegradable films.

Diagnóstico energético e reengenharia do processo de secagem na fábrica de revestimentos

Este trabalho surgiu no âmbito da Tese de Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química, aliando a necessidade da Empresa Monteiro Ribas – Indústrias, S.A. em resolver alguns problemas relacionados com as estufas da unidade J da fábrica de revestimentos. Outro dos objectivos era propor melhorias de eficiência energética neste sector da empresa. Para tal, foi necessário fazer um levantamento energético de toda a unidade, o que permitiu verificar que as estufas de secagem (Recobrimento 1 e 2) seriam o principal objecto de estudo. O levantamento energético da empresa permitiu conhecer o seu consumo anual de energia de 697,9 tep, o que a classifica, segundo o Decreto-lei nº 71 de 15 de Abril de 2008, como Consumidora Intensiva de Energia (CIE). Além disso, as situações que devem ser alvo de melhoria são: a rede de termofluido, que apresenta válvulas sem isolamento, o sistema de iluminação, que não é o mais eficiente e a rede de distribuição de ar comprimido, que não tem a estrutura mais adequada. Desta forma sugere-se que a rede de distribuição de termofluido passe a ter válvulas isoladas com lã de rocha, o investimento total é de 2.481,56 €, mas a poupança pode ser de 21.145,14 €/ano, com o período de retorno de 0,12 anos. No sistema de iluminação propõe-se a substituição dos balastros normais por electrónicos, o investimento total é de 13.873,74 €, mas a poupança é de 2.620,26 €/ano, com período de retorno de 5 anos. No processo de secagem das linhas de recobrimento mediram-se temperaturas de todos os seus componentes, velocidades de ar o que permitiu conhecer a distribuição do calor fornecido pelo termofluido. No Recobrimento 1, o ar recebe entre 39 a 51% do calor total, a tela recebe cerca de 25% e na terceira estufa este é apenas de 6%. Nesta linha as perdas de calor por radiação oscilam entre 6 e 11% enquanto as perdas por convecção representam cerca de 17 a 44%. Como o calor que a tela recebe é muito inferior ao calor recebido pelo ar no Recobrimento 1, propõe-se uma redução do caudal de ar que entra na estufa, o que conduzirá certamente à poupança de energia térmica. No Recobrimento 2 o calor fornecido ao ar representa cerca de 51 a 77% do calor total e o cedido à tela oscila entre 2 e 3%. As perdas de calor por convecção oscilam entre 12 e 26%, enquanto que as perdas por radiação têm valores entre 4 e 8%. No que diz respeito ao calor necessário para evaporar os solventes este oscila entre os 4 e 13%. Os balanços de massa e energia realizados ao processo de secagem permitiram ainda determinar o rendimento das 3 estufas do Recobrimento 1, com 36, 47 e 24% paras as estufa 1, 2 e 3, respectivamente. No Recobrimento 2 os valores de rendimento foram superiores, tendo-se obtido valores próximos dos 41, 81 e 88%, para as estufas 1, 2 e 3, respectivamente. Face aos resultados obtidos propõem-se a reengenharia do processo introduzindo permutadores compactos para aquecer o ar antes de este entrar nas estufas. O estudo desta alteração foi apenas realizado para a estufa 1 do Recobrimento 1, tendo-se obtido uma área de transferência de calor de 6,80 m2, um investimento associado de 8.867,81 €. e uma poupança de 708,88 €/ano, com um período de retorno do investimento de 13 anos. Outra sugestão consiste na recirculação de parte do ar de saída (5%), que conduz à poupança de 158,02 €/ano. Estes valores, pouco significativos, não estimulam a adopção das referidas sugestões.

Cooperative framework for open real-time systems

Actualmente, os sistemas embebidos estão presentes em toda a parte. Embora grande parte da população que os utiliza não tenha a noção da sua presença, na realidade, se repentinamente estes sistemas deixassem de existir, a sociedade iria sentir a sua falta. A sua utilização massiva deve-se ao facto de estarem practicamente incorporados em quase os todos dispositivos electrónicos de consumo, telecomunicações, automação industrial e automóvel. Influenciada por este crescimento, a comunidade científica foi confrontada com novos problemas distribuídos por vários domínios científicos, dos quais são destacados a gestão da qualidade de serviço e gestão de recursos - domínio encarregue de resolver problemas relacionados com a alocação óptima de recursos físicos, tais como rede, memória e CPU. Existe na literatura um vasto conjunto de modelos que propõem soluções para vários problemas apresentados no contexto destes domínios científicos. No entanto, não é possível encontrar modelos que lidem com a gestão de recursos em ambientes de execução cooperativos e abertos com restrições temporais utilizando coligações entre diferentes nós, de forma a satisfazer os requisitos não funcionais das aplicações. Devido ao facto de estes sistemas serem dinâmicos por natureza, apresentam a característica de não ser possível conhecer, a priori, a quantidade de recursos necessários que uma aplicação irá requerer do sistema no qual irá ser executada. Este conhecimento só é adquirido aquando da execução da aplicação. De modo a garantir uma gestão eficiente dos recursos disponíveis, em sistemas que apresentam um grande dinamismo na execução de tarefas com e sem restrições temporais, é necessário garantir dois aspectos fundamentais. O primeiro está relacionado com a obtenção de garantias na execução de tarefas de tempo-real. Estas devem sempre ser executadas dentro da janela temporal requirida. O segundo aspecto refere a necessidade de garantir que todos os recursos necessários à execução das tarefas são fornecidos, com o objectivo de manter os níveis de performance quer das aplicações, quer do próprio sistema. Tendo em conta os dois aspectos acima mencionados, o projecto CooperatES foi especificado com o objectivo de permitir a dispositivos com poucos recursos uma execução colectiva de serviços com os seus vizinhos, de modo a cumprir com as complexas restrições de qualidade de serviço impostas pelos utilizadores ou pelas aplicações. Decorrendo no contexto do projecto CooperatES, o trabalho resultante desta tese tem como principal objectivo avaliar a practicabilidade dos conceitos principais propostos no âmbito do projecto. O trabalho em causa implicou a escolha e análise de uma plataforma, a análise de requisitos, a implementação e avaliação de uma framework que permite a execução cooperativa de aplicações e serviços que apresentem requisitos de qualidade de serviço. Do trabalho desenvolvido resultaram as seguintes contribuições: Análise das plataformas de código aberto que possam ser utilizadas na implementação dos conceitos relacionados com o projecto CooperatES; Critérios que influenciaram a escolha da plataforma Android e um estudo focado na análise da plataforma sob uma perspectiva de sistemas de tempo-real; Experiências na implementação dos conceitos do projecto na plataforma Android; Avaliação da practicabilidade dos conceitos propostos no projecto CooperatES; Proposta de extensões que permitam incorporar características de sistemas de tempo real abertos na plataforma Android.

Metodologia de análise da patologia de fachadas de edifícios recentes com sistema ETICS

Ao percorrermos as cidades portuguesas, deparámo-nos frequentemente com fachadas de edifícios muito degradadas, não só de edifícios antigos, mas também de edifícios recentes (construção edificada a partir do início da década de 70). A presença de anomalias nas fachadas, para além de ser esteticamente desagradável na paisagem urbana, pode também potenciar a degradação prematura da envolvente vertical dos edifícios, deixando estas de desempenhar satisfatoriamente as funções de impermeabilidade e eficiência térmica. Tem-se assistido nas últimas décadas em Portugal, não só a uma evolução das técnicas construtivas das fachadas face à crescente exigência da qualidade dos edifícios, mas também a uma crescente utilização de novos revestimentos, nomeadamente, o sistema de isolamento térmico pelo exterior, conhecido pela sigla inglesa ETICS (External Thermal Insulation Composite System) e designado por “revestimento delgado armado sobre isolante”. O principal objectivo da presente dissertação consiste no desenvolvimento e aplicação de uma proposta de metodologia para análise da patologia de fachadas de edifícios recentes com sistema ETICS, que gradualmente tem vindo a implantar-se em Portugal como uma das soluções de carácter inovador de isolamento térmico e de protecção higrométrica da envolvente vertical opaca dos edifícios.

Melhoria do processo produtivo da Yazaki Porto Technical Centre

No actual contexto macroeconómico, a melhoria dos processos e o aproveitamento de todas as sinergias, são factores que se tornaram ainda mais importantes e nalguns casos, condição sine qua non para a sobrevivência das próprias empresas. Cada vez mais as empresas são obrigadas a produzir mais com menos recursos, com a qualidade desejada pelos clientes e a preços competitivos. A qualidade do produto final não deve ser afectada com a desculpa da implementação de uma política da redução de custos. Pelo contrário, deve existir a preocupação de eliminar da cadeia de valor tudo o que não contribui com valor acrescentado, melhorando nalguns casos a própria qualidade do produto final. A realização deste projecto tem como objectivo, analisar e implementar, através de ferramentas relacionadas com a metodologia Lean, melhorias na produção de aplicadores de cravação numa empresa multinacional ligada ao ramo automóvel. Pretende-se um aumento da taxa de produção diária em 50%, obtida essencialmente através do balanceamento dos recursos humanos e no desenvolvimento de um sistema kanban incorporado no sector produtivo. A parte inicial do trabalho incidiu no estudo e análise do produto e respectivo processo produtivo. Posteriormente e por várias fases efectuaram-se análises aos tempos de fabrico e ao sequenciamento das operações, com vista ao conhecimento de todo o processo de montagem de modo a identificar os aspectos de melhoria. Após o registo dos pontos a eliminar e/ou a melhorar, procedeu-se a uma análise criteriosa dos dados recolhidos, efectuando-se o balanceamento dos recursos de modo a tornar eficaz a implementação do sistema kanban. Este sistema é a base da melhoria proposta para este tema de dissertação. Após implementação do sistema kanban, foi avaliado o seu desempenho e foram registadas melhorias na produção diária dos aplicadores bem como no lead time despendido no processamento dos mesmos.

Estudo da viabilidade técnica e económica da conversão para veículo elétrico

O veículo elétrico está cada vez mais presente no mercado de veículos de transporte e apresenta-se como uma solução sustentável para a mobilidade. Reduz as emissões de gases de efeito de estufa (GEE), ruído, e elimina a dependência do petróleo presente nos veículos convencionais. Numa altura em que o sector automóvel está em franca estagnação, e os preços dos combustíveis atingem máximos históricos, a conversão de veículos convencionais em veículos elétricos ganha especial relevo e apresenta-se como uma solução para alguns utilizadores ou mesmo uma oportunidade de negócio para algumas empresas. Este trabalho consiste no estudo da viabilidade técnica e económica da conversão de veículos convencionais em veículos elétricos. São identificados equipamentos essenciais para realizar uma conversão, equipamentos alternativos e alguns opcionais, modo como os equipamentos devem ser instalados no veículo, cuidados a ter durante a instalação e legislação a considerar. No critério técnico aborda-se o desempenho do veículo, velocidade máxima, autonomia, capacidade de aceleração em subidas e desempenho de cada velocidade da caixa. No critério económico o estudo focaliza-se no tempo de retorno do investimento, ponto de inviabilidade do investimento, proveitos num prazo de 10 anos de uso do veículo, e análise do impacto de alguns equipamentos alternativos no investimento total. Abordam-se todos os aspetos a ter em consideração para que se realize uma conversão com sucesso e em simultâneo realiza-se uma conversão tipo do veículo do qual sou proprietário, um Volkswagen Golf 2 de 1988. Em sintonia com os objetivos deste trabalho, demonstra-se que o veículo elétrico é uma boa opção para utilizações citadinas, e que a tecnologia já esta suficientemente madura para este tipo de utilizações, o investimento na conversão é facilmente amortizável e portanto antecipa-se uma era onde prosperarão os veículos elétricos.

Experiences on the implementation of a cooperative embedded system framework

As the complexity of embedded systems increases, multiple services have to compete for the limited resources of a single device. This situation is particularly critical for small embedded devices used in consumer electronics, telecommunication, industrial automation, or automotive systems. In fact, in order to satisfy a set of constraints related to weight, space, and energy consumption, these systems are typically built using microprocessors with lower processing power and limited resources. The CooperatES framework has recently been proposed to tackle these challenges, allowing resource constrained devices to collectively execute services with their neighbours in order to fulfil the complex Quality of Service (QoS) constraints imposed by users and applications. In order to demonstrate the framework's concepts, a prototype is being implemented in the Android platform. This paper discusses key challenges that must be addressed and possible directions to incorporate the desired real-time behaviour in Android.

Dynamic QoS adaptation of inter- dependent task sets in cooperative embedded systems

Due to the growing complexity and dynamism of many embedded application domains (including consumer electronics, robotics, automotive and telecommunications), it is increasingly difficult to react to load variations and adapt the system's performance in a controlled fashion within an useful and bounded time. This is particularly noticeable when intending to benefit from the full potential of an open distributed cooperating environment, where service characteristics are not known beforehand and tasks may exhibit unrestricted QoS inter-dependencies. This paper proposes a novel anytime adaptive QoS control policy in which the online search for the best set of QoS levels is combined with each user's personal preferences on their services' adaptation behaviour. Extensive simulations demonstrate that the proposed anytime algorithms are able to quickly find a good initial solution and effectively optimise the rate at which the quality of the current solution improves as the algorithms are given more time to run, with a minimum overhead when compared against their traditional versions.

Cutting forces and wear analysis of Si3N4 diamond coated tools in high speed machining

Si3N4 tools were coated with a thin diamond film using a Hot-Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD) reactor, in order to machining a grey cast iron. Wear behaviour of these tools in high speed machining was the main subject of this work. Turning tests were performed with a combination of cutting speeds of 500, 700 and 900 m min−1, and feed rates of 0.1, 0.25 and 0.4 mm rot−1, remaining constant the depth of cut of 1 mm. In order to evaluate the tool behaviour during the turning tests, cutting forces were analyzed being verified a significant increase with feed rate. Diamond film removal occurred for the most severe set of cutting parameters. It was also observed the adhesion of iron and manganese from the workpiece to the tool. Tests were performed on a CNC lathe provided with a 3-axis dynamometer. Results were collected and registered by homemade software. Tool wear analysis was achieved by a Scanning Electron Microscope (SEM) provided with an X-ray Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) system. Surface analysis was performed by a profilometer.