Desenvolvimento e validação de um reator piloto para processamento de materiais por plasma

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.Nesta tese, apresenta-se o desenvolvimento e a validação de um reator piloto para processamento de materiais por plasma. O trabalho foi estruturado com o emprego de uma metodologia de desenvolvimento de produtos industriais, derivada dos conceitos introduzidos por Pahl e Beitz e adaptada no Núcleo de Desenvolvimento Integrado de Produtos - NeDIP/UFSC. A base de conhecimento sobre a qual foi erguido o trabalho consiste, além da literatura pertinente às disciplinas envolvidas, dos resultados de um extensivo programa de pesquisas em processamento de materiais por plasma desenvolvido na última década no âmbito do Laboratório de Materiais - labMAT/UFSC. Os processos por plasma considerados são a sinterização de materiais metálicos e a etapa de extração de ligantes no processo de moldagem de pós por injeção - PIM (powder injection moulding). Por sua natureza, entretanto, o sistema desenvolvido permite ainda a execução de processos de tratamento superficial, como nitretação e cementação, e de limpeza, por sputtering. A possibilidade de reunião de diferentes processos em ciclo único no reator representa um novo conceito na produção de componentes mecânicos pela tecnologia da metalurgia do pó. Demonstra-se a efetiva possibilidade de se promover o aquecimento por plasma de lotes de componentes mecânicos, obtidos via metalurgia do pó, até os níveis de temperatura requeridos para sua sinterização. Uma forte natureza multidisciplinar caracteriza este projeto, que envolve a seguinte coleção de áreas de conhecimento: física de plasmas, engenharia de materiais, termociências, tecnologia de vácuo, eletrônica de potência, instrumentação e controle de processos. A integração coordenada destas áreas de conhecimento no espaço de desenvolvimento do reator piloto foi promovida pela sistematização inerente à metodologia de desenvolvimento de produto adotada. O produto do trabalho (reator piloto) constitui um resultado em si, que vai ao encontro de argumentos que corroboram a validade e a importância do emprego de metodologias de desenvolvimento de produto na síntese de soluções com aplicação no parque industrial. A partir de um conjunto de necessidades pertinentes ao produto, ao usuário e aos processos, foi sintetizado um conjunto de informações que se mostrou suficiente para a construção do reator piloto. O reator construído corresponde, em resumo, a um núcleo de contenção do processo, formado por uma câmara de vácuo, especialmente projetada para acomodar os elementos acessórios que desempenham funções relativas ao processamento, e um conjunto de sistemas 'satélites': sistema de vácuo, sistema de alimentação de energia, sistema de suprimento da mistura gasosa, sistema de abertura e fechamento da câmara, sistema de arrefecimento e sistemas de condicionamento de sinais de entrada e saída, analógicos e digitais. Estes sistemas foram devidamente adaptados para permitir a implementação das funções que tornaram possível a automatização dos ciclos de processamento: programação, monitoramento, registro e controle. A interface com o usuário se dá através de um computador, que mantém em execução o software SISREAT desenvolvidos paralelamente. Um segundo software, GRAFREAT, foi desenvolvido para a emissão de relatórios. Ainda, para viabilizar o funcionamento do controle de temperatura, foi desenvolvido um algoritmo de supressão de arcos, integrado a um algoritmo PID clássico usado no controle de processos em geral. A validação do reator piloto foi realizada com experimentos de processamento em ciclo único de componentes moldados por injeção, reunindo-se as etapas de extração do ligante e sinterização. Lotes piloto de componentes foram processados em diferentes configurações de suportes de componentes. As principais propriedades de interesse nos materiais obtidos são apresentadas e discutidas