Optimization study of hybrid spot-welded/bonded single-lap joints

Joining of components with structural adhesives is currently one of the most widespread techniques for advanced structures (e.g., aerospace or aeronautical). Adhesive bonding does not involve drilling operations and it distributes the load over a larger area than mechanical joints. However, peak stresses tend to develop near the overlap edges because of differential straining of the adherends and load asymmetry. As a result, premature failures can be expected, especially for brittle adhesives. Moreover, bonded joints are very sensitive to the surface treatment of the material, service temperature, humidity and ageing. To surpass these limitations, the combination of adhesive bonding with spot-welding is a choice to be considered, adding a few advantages like superior static strength and stiffness, higher peeling and fatigue strength and easier fabrication, as fixtures during the adhesive curing are not needed. The experimental and numerical study presented here evaluates hybrid spot-welded/bonded single-lap joints in comparison with the purely spot-welded and bonded equivalents. A parametric study on the overlap length (LO) allowed achieving different strength advantages, up to 58% compared to spot-welded joints and 24% over bonded joints. The Finite Element Method (FEM) and Cohesive Zone Models (CZM) for damage growth were also tested in Abaqus® to evaluate this technique for strength prediction, showing accurate estimations for all kinds of joints.

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.

TiB2 nanostructured coating for GFRP injection moulds

In the injection moulding of polypropylene reinforced with hard glass fibres, die materials are commonly subjected to severe abrasive wear. In order to improve its wear resistance, an unbalanced magnetron sputtering PVD compositional monolayered coating has been produced. The film was composed by a nanostructured TiB2 monolayer. Microstructure characterization and thickness evaluation were conducted by scanning electron microscopy (SEM). Film topography and roughness were accessed by SEM and Atomic Force Microscopy (AFM). The phase analyse was investigated by X-ray diffraction (XRD), using Cu Kalpha radiation. Scratch tests were conducted in order to study the film adhesion to the substrate. Load-Displacement curves (nanoindentation analysis) allowed measuring the film hardness and Young's modulus. A ball-cratering tribometer was used to determine the micro-abrasion laboratorial wear resistance, under different tests conditions, using SiC particles in distilled water slurry. At the end of these tests, the worn surfaces were analyzed by SEM and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) in order to compare these results with some other coatings already tested in the same conditions. To test the practical wear resistance, 135000 injection cycles were done in a plastic injection industrial mould. Coated samples were put on the plastic feed canal, after a turbulent zone. In these tests, a 30% (wt) glass fibres reinforced polypropylene was used. Worn sample surfaces were analyzed by SEM after 45.000 and 90.000 cycles. Image analyses were made in order to evaluate the damage increases and to observe the wear mechanisms involved.

Estudo da corrosão em diferentes tipos de aço

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Caracterização mecânica e análise da resistência à corrosão em diferentes solos, de aços inoxidáveis duplex

O aço inoxidável é um material de alta durabilidade e resistência, utilizado nos mais diversos setores comerciais. O conhecimento das suas características e propriedades é essencial para uma escolha mais seletiva e vantajosa. Pretende‐se com este trabalho, estudar as propriedades mecânicas, a resistência ao desgaste e o comportamento, em ambientes mais agressivos de três tipos de aços inoxidáveis duplex, produzidos pela OUTOKUMPU e comercialmente conhecidos pelas designações LDX 2101, SAF 2507 e o SAF 2205. Para tal efeito foram realizados ensaios de Dureza Vickers, antes e após dobragem; ensaios de tracção em duas diferentes situações: seguindo a norma NP EN 10002‐ 1:2006 e após a realização de alguns ciclos de carga e descarga; ensaio de Impacto à temperatura ambiente e após arrefecimento criogénico; ensaio de resistência à corrosão. Também foi feito o estudo de resistência ao desgaste com base na técnica de micro‐abrasão por esfera rotativa e o estudo metalográfico. Foi também objetivo deste trabalho, relacionar o uso dos referidos aços duplex e as consequências que esse uso tem para o meio ambiente, bem como o seu comportamento quando exposto a condições extremas. Para tal, foram colocadas amostras dos referidos aços, em dois tipos de solos com condições de humidade e acidez diferentes analisando o seu estado após imersão em solo com condições controladas durante 272 dias.

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.

Projecto de molde para peça para a indústria automóvel

A realização deste trabalho teve por base uma solicitação por parte de uma empresa dedicada ao projecto e fabrico de moldes, assim como à injecção de plásticos, no sentido de projectar um molde para a injecção de uma peça em plástico (PP-Polipropileno +20% ) para a indústria automóvel, segundo os requisitos de qualidade exigidos pelo cliente Assim, atendendo a esses requisitos, foi planeado e elaborado o projecto do respectivo molde para a injecção, tendo em consideração todos os factores que contribuem de forma activa para a obtenção das peças desejadas, com a qualidade exigida e com o tempo de vida desejado para o molde. Tendo início na definição das cavidades e movimentos do molde, passando pela selecção dos materiais mais adequados a cada um dos componentes do molde, selecção de componentes normalizados para o molde, simulação do enchimento e necessidades de arrefecimento, até à execução do molde e análise de possíveis não conformidades nas peças nele injectadas, o trabalho acompanhou todo o processo de criação do molde, desde a recepção das especificações emanadas pelo cliente, até ao teste e realização das correcções finais. Constatou-se que o molde, após ligeiras afinações finais, cumpriu com os objectivos inicialmente traçados, permitindo a obtenção de peças com o formato e qualidade exigidas pelo cliente final.

Estudo comparativo do comportamento de diferentes ferramentas na fresagem de aços duplex

A maquinagem por arranque de apara é, na actualidade, um dos processos de fabrico mais utilizados e de maior relevo no panorama da indústria metalomecânica mundial. Para além da forte evolução que se tem registado ao longo das últimas décadas nos equipamentos ligados à maquinagem, também as ferramentas têm visto o seu desempenho fortemente melhorado, graças essencialmente ao desenvolvimento de revestimentos finos, mono e multicamada, que têm proporcionado o conjunto de propriedades mais indicado a cada situação. Por outro lado, os aços inoxidáveis duplex têm registado um forte incremento na sua aplicação, a qual requer, em muitos casos, o uso da maquinagem para a obtenção das formas necessárias. Tendo em consideração estes dois factores, o presente trabalho visa, essencialmente avaliar qual a ferramenta mais adequada para trabalhar este tipo de ligas, em função do tipo de maquinagem e condições de corte. Para tal, foram utilizadas diferentes ferramentas dotadas da mesma geometria, e seleccionados parâmetros que constituíssem um denominador comum entre os valores indicados pelos diferentes fabricantes. Foram consideradas apenas condições de maquinagem com utilização de fluido de corte e realizados percursos de corte previamente determinados na fresagem, utilizando fresas de topo em condições de maquinagem de alta velocidade. A análise comparativa recaiu sobre a qualidade da superfície gerada por maquinagem, avaliada através de perfilometria, e o desgaste registado por cada uma das ferramentas utilizadas.

Establishing the main Guidelines for Cast Steel to Produce Truck Parts

Este trabalho foi realizado na Scania CV AB e teve como principal objectivo estabelecer uma diretriz sobre a possível utilização de aços vazados. Existe uma grande necessidade na realização deste trabalho, de forma a apoiar os engenheiros de projecto no seu processo de selecção dos materiais mais adequados, para produzir componentes mais leves e de elevado desempenho. Esta diretriz apresenta informação relacionada com propriedades mecânicas, processos de fundição, vazabilidade, tipologia de defeitos, tratamentos térmicos, soldabilidade e tratamentos superficiais dos aços vazados. Este trabalho foi limitado, na seleção de materiais para componentes do camião, a aços vazados que poderiam ser aplicados em dois componentes específicos: um componente estrutural da carroçaria sujeito a esforços de fadiga e a um colector de gases de combustão, sujeito a fluência, oxidação, fadiga por corrosão, fadiga-térmica e fadiga-mecânica. Foi realizado um benchmark focado nestes dois componentes de forma a saber que materiais são utilizados de momento por outras empresas concorrentes. Foi realizada ainda uma análise sobre possíveis materiais que possam ser aplicados em cada componente referido. Foi conduzida uma caracterização no estado bruto de fundição de um aço inoxidável vazado usado para produzir um protótipo do colector de gases. Esta caracterização consistiu numa análise microestrutural e medição de macro e microdurezas. Além da caracterização inicial, foram aplicados um conjunto de tratamentos térmicos, de forma a estudar a possibilidade de eliminar os carbonetos presentes inicialmente nas fronteiras de grão. As principais conclusões deste trabalho são que o aço vazado apresenta potencial para ser uma escolha válida em diversas aplicações, devido a um leque alargado de propriedades apresentadas tipicamente por este material. Relativamente a aplicações estruturais, o aço vazado é vantajoso comparativamente ao ferro fundido, quando são requeridos, por exemplo, soldabilidade e elevada resistência, combinada com elevada tenacidade à fractura. Para componentes sujeitos a elevadas temperaturas de serviço, o aço inoxidável vazado é vantajoso quando usado a temperaturas superiores a 750°C, apesar do seu elevado custo. O tratamento térmico composto por um recozimento de solubilização seguido de envelhecimento, elimina quase na totalidade os carbonetos presentes nas fronteiras de grão e verifica-se um aumento de dureza através de uma precipitação de carbonetos finamente dispersos na matriz, que poderão também aumentar a resistência à fluência.

Projecto de equipamento de rotação de moldes de grande porte com recurso ao método de elementos finitos

A fabricação de moldes é uma actividade que se desenvolve em Portugal há várias décadas, com qualidade reconhecida mundialmente. A indústria automóvel é um dos principais destinos de grande parte dos moldes produzidos em Portugal. Algumas das peças produzidas nesses moldes possuem dimensões apreciáveis, tendo em conta o peso e dimensão média das peças injectadas em plástico. São exemplo disso os pára-choques dos automóveis e o tabliê. A produção dos moldes para estas peças é complexa, implicando um longo tempo de maquinagem e a manipulação dos moldes em diferentes fases, com vista ao acesso a todas as faces do molde. A IGM – Indústria Global de Moldes, SA. é a empresa responsável pela produção dos moldes para peças de média dimensão dentro do Grupo SIMOLDES. Atendendo à necessidade permanente de rodar a 90o moldes de grande porte, que podem apresentar pesos na ordem das 10 a 30 toneladas, e não existindo no mercado qualquer solução adaptável a esta necessidade, a empresa entendeu por bem levar a efeito o projecto desse equipamento, atendendo ao compromisso custo-benefício que torne viável a realização prática do mesmo. Após os esboços iniciais e uma discussão interactiva e iterativa com a empresa, foram analisadas as diferentes soluções entendidas como viáveis, tendo sido escolhido um dos anteprojectos realizados. Foram ainda discutidas as diversas alternativas de accionamento. Com base nesse anteprojecto, a estrutura foi optimizada e verificada através do Método de Elementos Finitos, tendo sido elaborado o projecto final, com o grau de detalhe necessário à sua fabricação e implementação na empresa.

Otimização do processo de injeção de ZAMAK

A indústria automóvel necessita aumentar a produtividade de forma sistemática, com vista à redução de custos e incremento da competitividade. A otimização dos produtos e processos é uma constante. O presente trabalho foi solicitado pela empresa FicoCables, do Grupo FICOSA, tendo em vista a otimização do processo de injeção de pequenas peças injetadas em ZAMAK, que constituem o bloqueio na extremidade de cada cabo metálico inserido nos automóveis para abertura da mala, portas, travão de mão, reservatório de combustível, capô, etc. A empresa possui cerca de 52 equipamentos de injeção de ZAMAK, cuja temperatura dos bicos era mantida com base numa chama de gás. Os sucessivos problemas de controlo do sistema ditaram uma mudança estratégica no aquecimento desses bicos, passando a ser usadas resistências elétricas anelares. No entanto, esta mudança veio a apresentar problemas inesperados, os quais se vieram inclusivamente a tornar em problemas de segurança, devido ao desgaste interior prematuro dos bicos, os quais apresentaram esmo problema de rotura. Paralelamente, todos os parâmetros relacionados com este processo de fabrico estavam também estudados de forma algo incipiente, pelo que se tornou necessário compreender e dissecar todas as variáveis relacionadas com o processo e implementar sistemas que impedissem o ajuste não controlado dos parâmetros por parte dos operadores. Também os moldes foram alvo de ações de melhoria, com vista a evitar problemas na zona de contacto do bico com o molde. O processo foi analisado em pormenor, permitindo um controlo muito mais apurado do mesmo. Os resultados fizeram sentir-se de forma imediata, graças ao trabalho desenvolvido neste estudo e à abertura demonstrada pela empresa para implementar todas as soluções propostas. O resultado final traduz-se num incremento significativo da segurança para os operadores, num controlo muito mais apurado de todos os parâmetros envolvidos no processo, numa maior garantia da qualidade nos produtos injetados em ZAMAK e em ganhos financeiros significativos para a empresa.

Projeto de molde para a injeção de peça plástica complexa para a indústria automóvel

A fabricação de moldes é um pilar da indústria metalomecânica nacional. A qualidade patenteada pelos moldes de fabrico nacional é reconhecida mundialmente. A fabricação de um molde é sempre um novo desafio, dadas as especificidades de cada peça e à complexidade geométrica que normalmente apresentam. Este trabalho teve por principal objetivo proceder ao projeto, fabricação e ajuste de um molde para uma peça plástica complexa, destinada à indústria automóvel, a qual, pela sua complexidade geométrica, elevada relação de área versus espessura e grande número de reforços bastante delgados, exige cuidados especiais no momento de se tomarem decisões quanto às melhores metodologias a adotar na sua fabricação, com vista a garantir a qualidade exigida pelo cliente final. O projeto foi desenvolvido e levado a cabo, permitindo constatar que algumas das opções tomadas na fase do projeto foram as mais adequadas, exigindo pouco trabalho de afinação no final e permitindo a extração de peças com elevada repetibilidade de características e a qualidade requerida pelo cliente.

Desenvolvimento de sistemas automáticos de alimentação e descarga de injectora de plásticos

A indústria de componentes para automóveis necessita de constante inovação, no sentido de manter a elevada competitividade, imprescindível à sobrevivência de qualquer empresa neste sector. A automação e robótica são vias incontornáveis para a prossecução dos objetivos de produtividade desejados. Mesmo dentro da automação, a evolução é constante. Para além disso, a crescente inovação nos produtos fabricados, exige também novas soluções em termos de processos de fabrico. Isto leva a que, soluções válidas até uma determinada altura, passem facilmente a obsoletas, com necessidade premente de se implementarem novos sistemas que correspondam às necessidades atuais. Este trabalho teve por base uma necessidade detetada numa empresa fabricante de acessórios para a indústria automóvel: estruturas para estofo de assento automóvel, entre muitos outros. Atualmente, a estrutura do estofo automóvel assenta numa grelha constituída por um conjunto de arames, que é agregado por uma série de tiras de plástico injetadas em seu redor. As máquinas de injeção responsáveis por este processo têm superfície de apartação horizontal, e necessitam de mão-de-obra adjacente para a colocação dos arames no molde e descarga do conjunto, na razão de uma pessoa para duas máquinas, dependendo do tempo de ciclo da injeção. O trabalho consistiu no desenvolvimento de um sistema automático de alimentação e descarga da máquina de injeção, que tivesse por base um sistema já existente, mas que passasse a comportar outras funções até agora não desempenhadas pelos sistemas antigos, ou seja, que fossem capazes de ultrapassar os problemas colocados pela complexidade atual dos produtos em fabricação. O projeto foi concluído com sucesso, tendo sido validado pela empresa FicoCables, através da construção, teste e colocação em funcionamento de vários protótipos.