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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.18.2016.tde-20072016-205423
Document
Author
Full name
Gill Bukvic
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2015
Supervisor
Committee
Fortulan, Carlos Alberto (President)
Arantes, Vera Lúcia
Bianchi, Eduardo Carlos
Jasinevicius, Renato Goulart
Sanchez, Luiz Eduardo de Angelo
Title in Portuguese
Estratégia de usinagem em verde dirigida ao projeto de peças cerâmicas
Keywords in Portuguese
Cerâmica
Estratégia de usinagem
Implante
Usinagem em verde
Abstract in Portuguese
Este trabalho trata da usinagem em verde aplicada ao projeto de corpos cerâmicos, quanto a sua morfologia e propriedades requeridas e inclui estratégia de usinagem para seleção do processo, parâmetros de corte e ferramentas. A usinagem em verde é uma técnica estruturada na filosofia do near-net-shape e vem sendo amplamente aplicada na fabricação de peças cerâmicas de formatos variados e complexos, a exemplo de implantes ósseos. Por ser aplicada em compactos de baixa resistência mecânica exige precauções e controle sobre as forças aplicadas na usinagem. O trabalho objetiva a elaboração de uma matriz de decisão para estratégia de usinagem em verde para a seleção e tomada de decisões, que baseada em um produto, possa direcionar aspectos relativos à formulação de ligantes cerâmicos, tratamentos pós-conformação, ferramentas, equipamentos e parâmetros de usinagem. Foram preparados grânulos de aluminas, baseados em ligantes PVAl, PVB e acrílicos B-1022 e B-1007, compactados na forma de cilindros, blocos e de cones. Na usinagem foram empregadas ferramentas com abrasivos de diamante, CBN e alumina eletrofundida com ligante metálico, resinoide e vitrificado. Operações representativas da usinagem foram selecionadas e aplicadas na geração de cilindros, barras e furos. Seletivamente foram realizadas medidas de torque de usinagem e forças tangenciais desenvolvidas durante o corte em verde. A resistência mecânica à flexão foi medida em verde e após sinterização, enquanto a rugosidade foi medida após a sinterização. Os resultados mostram uma forte correlação entre resistência em verde dos compactados brutos e esforços de corte e foram observadas particularidades para cada ligante cerâmico aplicado e para cada tipo de abrasivo e ligante utilizado nas ferramentas. Como melhores resultados, de peças usinadas com rebolo de alumina eletrofundida, foram encontradas resistência mecânica em verde de 7,8 MPa em peças com ligante acrílico B-1022, resistência mecânica após sinterização de 342,6 MPa em peças com ligante de PVB, potência consumida de 192,2 W em peças com ligante PVAl, rugosidade de 0,761 μm em peças com o ligante acrílico B-1007, e com ferramenta de diamante uma força de corte de 0,222 N foi obtida em peças com ligante PVAl. É concluído que há um forte compromisso entre todas as variáveis estudadas e que o formato e dimensão do produto, bem como seu acabamento e propriedades requeridas, podem ser fortemente influenciadas pelas condições do compactado e da usinagem empregada. Como solução mais notável, se tem o uso do ligante acrílico B-1007 prensado a 200 MPa, ferramenta com abrasivo de diamante de granulometria #80 mesh com ligante metálico, onde foi observado o compromisso de alta resistência em verde (para suportar os esforços), baixo empastamento de rebolo, baixa força de corte, baixa potência consumida, acabamento superficial e integridade das bordas. A matriz de decisão para estratégia de usinagem em verde desenvolvida foi aplicada na fabricação de um implante dentário conceitual free-form e foi validada pelo sucesso da obtenção desta peça.
Title in English
Green machining directed to the project of ceramic parts
Keywords in English
Ceramic
Green machining
Implants
Machining strategy
Abstract in English
This paper deals with the green machining applied to the project of ceramic parts, specifically with its morphology and required properties and includes machining strategy to the selection of the process, cutting parameters and tools. Green machining is a structured near-net-shape technique philosophy and has widely been applied in the ceramic parts manufacturing with varied and complex shapes such as bone implants. For being applied in low mechanical strength compacts parts it requires precautions and control over the forces used during the machining process. This work aims the development of a decision matrix for a machining green strategy to provide a selection and a decision-making that, based on a product, will direct aspects relating to the ceramic binders formulation, post-forming treatments, tools, required equipment and machining parameters. Alumina granules were prepared based on binders such as PVAl, PVB, acrylics B-1022 and B-1007, compacted in the form of cylinders, blocks and cones. In the machining itself it was applied tools with diamond, CBN and eletrofused alumina abrasives with metal, resinoid and vitrified binders. Representing machining operations were selected and applied in order to form cylinders, bars and holes. Were made selectively measures of machining torque and tangential forces, developed during the green cutting. The flexural mechanical strength was measured in green and after sintering while the surface roughness was measured after the sintering. The results demonstrate a strong correlation between only the green strength of the rough compacted parts and the cutting forces and it was observed the particularities of each ceramic binder applied and each kind of the abrasive and binder used in the tools. As best results, machining using eletrofused alumina grinding wheel obtained green strength up to 7.8 MPa in parts with B-1022 acrylic binder, mechanical strength after sintering up to 342.6 MPa in parts with PVB binder, power consumption up to 192.2 W in parts with PVAl binder, surface roughness up to 0.761 μm in parts with B-1007 acrylic binder and with diamond tool a cutting force up to 0,222 N was obtained in parts with PVAl binder. As a conclusion, it can be said that there is a strong commitment between all the studied variables and the format and size of the product, as well as its finishing and required properties can be strongly influenced by the conditions of the compacted parts and the machining used. The most remarkable solution, has been the use of B-1007 acrylic binder compacted at 200 MPa, diamond abrasive tool with grain size of #80 mesh with metal binder, where was observed a high green strength commitment (to withstand the stresses), low grinding wheel clogging, low cutting force, low power consumption, surface finishing and edges integrity. The developed decision matrix for the strategy of a green machining was applied for a free-form conceptual dental implant manufacturing and has been validated by the obtainment of this part with success.
 
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gillbukvic.pdf (3.15 Mbytes)
Publishing Date
2016-07-26
 
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