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Objectives: To evaluate the effects of the abutment material and the connection type on the implant-abutment connection rigidity. Methods: The study evaluated eighteen implants with three different types of connections: external-hexagon, tri-channel, and conical connection. Half of the implants were connected to titanium abutments, and the other half to zirconia abutments, forming six study groups (n=3). The implants were submitted to 1,200,000 load cycles with a force amplitude of 90 N. During load application, the implant-abutment connection rigidity was determined in each cycle. The values obtained were analyzed with the two-way ANOVA test according to the abutment and connection types. Results: Rigidity tended to increase during loading cycles. The abutment material did not influence rigidity (p=0.883). The external-hexagon connection presented lower rigidity than the internal connections, with statistically significant differences (p=0.013). Conclusions: The abutment material does not influence the implant-abutment connection’s rigidity. The external-hexagon connection proved to be less rigid and stable than the internal connections.

Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Com a evolução do mundo tecnológico e o consequente aumento de competitividade do mercado, a manutenção preventiva e o bom planeamento desta, tornaram-se fulcrais para a continuidade e crescimento das empresas. Um bom alicerce para a aplicação deste tipo de manutenção são as diversas técnicas de diagnóstico atualmente disponíveis. A presente dissertação teve como objetivo, o estudo do modo de implementação de uma dessas técnicas, a análise de vibrações, na Prado – Cartolinas da Lousã, S.A., tendo-se para tal, iniciado com uma profunda observação e pesquisa do modo de funcionamento do Serviço de Manutenção e Energia, desde a sua organização estrutural até aos diversos tipos de técnicas de manutenção preditiva utilizados pela empresa. De seguida, realizou-se uma investigação acerca da manutenção preventiva, da análise de vibrações e do funcionamento do equipamento de medida das vibrações. Após a escolha de três equipamentos do setor da depuração da mesa inferior, sendo eles três conjuntos motor-bomba de mistura, executaram-se diversas medições de vibração nestes e procedeu-se a uma análise dos seus históricos. Uma vez que no decorrer do estágio, ocorreram duas situações de avaria nas quais a análise de vibrações foi fundamental, escolheu-se integrá-las no presente trabalho.Terminada a análise da aplicação da técnica foi possível acompanhar a elaboração dos cadernos de encargos relativos à paragem geral deste ano, tendo-se verificado como a técnica de análise de vibrações é um grande contributo para o diagnóstico de anomalias e consequentemente para a execução de um melhor planeamento das intervenções.Foi então possível concluir, que esta técnica estando tal como verificado, corretamente aplicada, é uma mais valia para a empresa. É, no entanto, possível realizar pequenas melhorias tanto relacionadas com a análise de vibrações, como com o Serviço de Manutenção e Energia em geral. With the evolution of the technological world and the consequent increasement of the market competitiveness, a preventive maintenance and a good planning of it, became primordial to the continuity and growth of companies. A good foundation to this type of maintenance application are the diverse diagnostic techniques currently available. The present dissertation had as objective, the study of the implementation mode of one of these techniques, the vibration analysis, in Prado Cartolinas da Lousã, S.A., having to do so, began with a deep observation and research of the operating mode of the Maintenance and Energy Service, from its structural organization to the different types of predictive maintenance techniques, used by the company. Then, an investigation about preventive maintenance, vibration analysis and the functioning of the vibration measuring equipment took place. After choosing three equipment from the inferior table depuration sector, being it three mixture motor-pump sets, several vibration measurements were performed and an analysis of its histories was carried out.During the internship two failure situations occurred, in which the vibration analysis was fundamental. It was chosen to integrate it in the present work.After the analysis of the technique application, it was possible to follow the preparation of the contract documents for the annual maintenance stop, having verified how the vibration analysis is a huge contribute for anomalies diagnostic and consequently for a better intervention planning execution. It was possible to conclude that this technique being as verified, correctly applied, is an added value to the company. However, it is possible to make small improvements both related to vibration analysis and to the Maintenance and Energy Service in general.

Dissertação de Mestrado Conjunto Europeu em Tribologia de Superficies e Interfaces apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia One of the typical causes of degradation of machinery components in a fluid flow is the cavitation-erosion [1]. Component failure is caused by material removal due to exposure to the repetitive implosion of air bubbles called cavities to the component’s surface [2]. Cavitation-erosion is a phenomenon of complex nature, which includes properties and hydrodynamic factors of liquid, as well as properties of the solid body exposed to the cavitation erosion as microstructure, surface properties as hardness, and properties of bulk material as density, Young modulus, etc.Design and definition of service parameters of many machinery components such as water turbines’ blades, control valves, curved sections of pipelines, rotors of centrifugal pumps, etc. exposed to cavitation effect require well-defined test methods to evaluate cavitation-erosion and estimate cavitation-erosion resistance properties of materials. Several test methods based on cavitation-erosion were developed for these purposes, results are used for the evaluation of cavitation-erosion resistance of specific materials. The objective of undertaken work is the cavitation-erosion resistance calculation of several sintered composites and improvement of existing cavitation-erosion testing method. Suggested method could be used for quality assessment of composed material and different manufacturing method, for example comparison of sintered components and components produced by additive manufacturing using the same material composition. The alternative method of additive manufacturing still raises many problems due to the typical defects such as undesired porosity and cracking, which potentially have a significant effect on cavitation-erosion resistance of the material.In the present research work, cavitation-erosion resistance of the following material produced with conventional powder metallurgy method has been analyzed: WC-Co, WC-Ni, WC-CoNi, WC-CoCr, WC-NiCr, WC-CoNiCr and WC-NiCrMo. The comparison of materials’ cavitation-erosion resistance values let us choose the best material in relation to resistance to cavitation erosion, comparison of different binders reveal different erosion mechanisms, what also provides the data for further comparison with additive manufactured material with the same composition. Uma das causas típicas de degradação de componentes de máquinas em um fluxo de fluido é a erosão provocada por cavitação [1]. A falha do componente é causada pela remoção de material devido à exposição à implosão repetitiva de bolhas de ar chamadas cavidades na superfície do componente [2].O objetivo do trabalho realizado é o cálculo da resistência à erosão por cavitação de vários compósitos sinterizados e melhoria do método de teste de erosão por cavitação existente. O método sugerido pode ser usado para avaliação de qualidade de material composto e método de fabricação diferente, por exemplo, comparação de componentes sinterizados e componentes produzidos por manufatura aditiva usando a mesma composição de material. O método alternativo de manufatura aditiva ainda gera muitos problemas devido aos defeitos típicos, como porosidade indesejada e trincas, que potencialmente têm um efeito significativo na resistência à erosão por cavitação do material.Na presente pesquisa, foi analisada a resistência à erosão por cavitação dos seguintes materiais produzidos pelo método convencional da metalurgia do pó: WC-Co, WC-Ni, WC-CoNi, WC-CoCr, WC-NiCr, WC-CoNiCr e WC-NiCrMo. Uma comparação de diferentes ligantes revela mecanismos de erosão semelhantes com taxas de erosão significativamente diferentes, o que também fornece dados para comparação posterior com material fabricado aditivado com a mesma composição.Verificou-se que os compósitos à base de WC com ligantes à base de cromio e níquel, proporcionaram maior resistência à erosão por cavitação em comparação com ligantes à base de cobalto e molibdênio. Constatou-se também que o ligante de cobalto mais utilizado fornece o menor valor de resistência à cavitação-erosão da ordem de 2.82e-3 mm3/hora, e o desempenho de outros compósitos foi até 4000 vezes menor com o ligante WC-NiCr, proporcionando o maior resistência à erosão por cavitação da ordem de 6,6e-7 mm3/hora. O tempo total do experimento foi de 120 horas, o que nos permitiu observar os estágios de aceleração e desaceleração da cavitação-erosão.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Over the years, many research and development works have been carried out with the premise of improving the performance of internal combustion engines (ICE). Despite all the effort made so far, friction losses remain the biggest obstacle to such improvement. Piston rings are known to be responsible for almost a quarter of the friction losses in internal combustion engines. This research work aims at trying to improve the tribological performance of piston rings, by means of a newly developed variant of DLC (Diamond like carbon) coatings. The DLC films were deposited using a mixed Argon and Neon plasma atmosphere, through the high-power impulse magnetron sputtering process (HIPIMS), using a deposition pressure of P=0.8 Pa and a substrate polarisation of BIAS =-80 V. For comparison purposes, other films were also deposited, such as the widely used in the automotive industry, CrN and another DLC film, this time deposited only in Argon pure plasma atmosphere. Tribological tests were performed with a Block-on-ring configuration under different lubrication regimes, changing the temperatures and sliding speeds of the tests. The analysis of the results was performed through the Stribeck curves corresponding to each deposited sample. An improvement of the tribological performance was observed for the DLC films deposited in mixed atmosphere of Argon and Neon, reducing in about 22.8% the coefficient of friction in boundary lubrication conditions, compared to the CrN film. On the other hand, for the DLC film deposited in pure Argon atmosphere, an improvement was also observed in the reduction of the coefficient of friction compared to the CrN film, but this time by only 9.8%. Moreover, the films deposited with the insertion of Neon in the discharge gas, achieved ultra-low friction values (

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Com o principal objetivo de avaliar o conhecimento do comportamento tribológico de revestimentos, comummente usados em diversos setores industriais, em aplicações onde é necessária elevada resistência ao desgaste, estudaram-se doze pares tribológicos constituídos por seis revestimentos diferentes correspondentes a três famílias de revestimentos distintas: nitreto de titânio silício (TiSiN), crómio (Cr) e diamond like carbon (DLC). Os revestimentos foram produzidos no Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) da Universidade de Coimbra (UC) recorrendo a uma técnica denominada de pulverização catódica por magnetrão com impulsos de alta potência (HiPIMS - High Power Impulse Magnetron Sputtering). Na realização dos ensaios tribológicos foram utilizados dois métodos distintos para aferir o atrito, energia dissipada em sistemas vibratórios e indentação deslizante. A técnica citada em primeiro, baseia-se na avaliação do movimento livre de vibração com amortecimento de um sistema massa-mola, induzido por um impulso mecânico onde o contacto entre o dispositivo vibratório e a amostra a analisar atua como uma dissipação suplementar de energia. O atrito é determinado através da análise inversa pela comparação entre o movimento vibratório experimental e a equação analítica do movimento. Já em relação à determinação da capacidade de suporte de carga dos diversos revestimentos, esta foi avaliada recorrendo a testes de indentação deslizante contra corpos esféricos utilizando para isso uma velocidade de deslizamento constante e cargas normais crescentes (0-100 N). Os resultados obtidos em ambos os ensaios permitem verificar uma relação nos coeficientes de atrito dos pares tribológicos estudados: μDLC < μTiSiN < μCr. Esta relação só não se verifica no caso do ensaio vibratório com contra-corpo de 100Cr6. This thesis aims to evaluate the tribological behavior of coatings in applications where high wear resistance is required, commonly used in various industrial sectors. Twelve tribological pairs made of six different coatings, which correspond to three different coating families, has been studied: TiSiN, Cr and DLC. The Coatings were produced in the Department of Mechanical Engineering of the University of Coimbra (UC) using a technique called high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS). In order to perform the tribological tests, two methods were used to measure friction, namely energy dissipation in vibratory systems, and sliding indentation. The first technique, energy dissipation in vibratory systems, is based on the evaluation of free vibration movement with damping of a mass-spring system, induced by a mechanical impulse where the contact between the vibrating device and the sample to be analyzed acts as an additional dissipation of energy. While, friction is determined through the inverse analysis, by comparing the experimental vibratory movement with the analytical equation of the movement. The determination of the load-bearing capacity of the various coatings has been evaluated using sliding indentation tests, against spherical bodies using a constant sliding speed and increasing normal loads (0-100 N). The results obtained in both tests allow to verify a relationship between the friction coefficients of the studied tribological pairs: μDLC < μTiSiN < μCr. This relationship does not occur in the case of the vibration test with the 100Cr6 counter-body.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Apesar de existirem alguns trabalhos já publicados, o estudo dos efeitos erosivos da cavitação de ligas de metal duro à base de carboneto de tungsténio, ainda não está devidamente efetuado. Em especial, a influência do material da fase ligante, no comportamento em situações de cavitação de materiais sinterizados à base de carboneto de tungsténio, não é suficientemente conhecida. O objetivo principal desta dissertação, é caracterizar a resistência à cavitação de carboneto de tungsténio obtido por sinterização. Contudo, como no laboratório onde se desenvolveu o trabalho, não havia experiência prévia em estudos de cavitação, tornou-se imprescindível ultrapassar as fases finais do desenvolvimento de um equipamento de cavitação por ultrassons, bem como estabelecer as metodologias para quantificar e qualificar o dano resultante dos testes. Nesta dissertação são descritas as fases de montagem e de estudos prévios que se destinaram a validar procedimentos e a identificar e ultrapassar as dificuldades inerentes à adaptação da norma ASTM G32. Inclui-se um protocolo de ensaio que se mostrou ajustado à aplicação do equipamento desenvolvido à caracterização de carboneto de tungsténio. É também apresentado um conjunto de resultados que inclui a quantificação da evolução da cavitação ao longo do tempo de ensaio, bem como a caracterização da morfologia observada por microscopia eletrónica de varrimento nas superfícies sujeitas a cavitação. O equipamento desenvolvido mostrou-se adequado à caracterização do comportamento de materiais submetidos a cavitação, e permitiu identificar que a erosão por cavitação em materiais sinterizados de carboneto de tungsténio ocorre por remoção da fase ligante deixando sem suporte os grãos de carboneto de tungsténio, que posteriormente serão removidos. Although there are some published studies, the erosive effects caused by cavitation on tungsten carbide-based alloys, is not yet properly done. In particular, the influence of the binder phase material on the behaviour of sintered materials based on tungsten carbide subjected to cavitation situations is not sufficiently known.The main objective of this dissertation is to characterize the cavitation resistance of tungsten carbide obtained by sintering. However, as there was no previous experience in cavitation studies in the laboratory where the work was developed, it became essential to overcome the final stages of the development of an ultrasonic cavitation equipment, as well as to establish the methodologies to quantify and qualify the resulting damage caused by the tests. This dissertation describes the stages of assembly and previous studies that were intended to validate procedures and to identify and overcome the difficulties inherent to the adaptation of the ASTM G32 standard.A test protocol is included, which proved to be adjusted to the application of the developed equipment for tungsten carbide characterization. A set of results is also presented that includes the quantification of the evolution of cavitation over the test time, as well as the characterization of the morphology observed by scanning electron microscopy on surfaces subject to cavitation. The developed equipment proved to be suitable for characterizing the behaviour of materials subjected to this phenomenon, and allowed to identify that cavitation erosion in sintered tungsten carbide materials occurs by removing the binding phase leaving tungsten carbide grains unsupported, which subsequently will be removed.

Dissertação de Mestrado em Engenharia de Materiais apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Os testes realizados em câmaras climáticas são cada vez mais comuns à medida que o nível de qualidade esperado dos produtos e componentes aumenta. Ao passo que as condições de testes se tornam mais exigentes, os elementos que compõem o invólucro das câmaras, geralmente painéis sanduíche, são expostos a uma ampla gama de temperaturas. É importante entender como as propriedades mecânicas e térmicas dos materiais do núcleo nos painéis sanduíche mudam quando submetidas a essas temperaturas.Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo realizar uma caracterização térmica e mecânica a quatro materiais frequentemente utilizados em núcleos de painéis sanduíche: balsa, lã mineral, espumas rígidas tereftalato de polietileno (PET), e de poliuretano (PUR).A caracterização térmica focou-se em duas propriedades térmicas principais: condutividade térmica e calor específico. Para avaliar estas propriedades, foi desenvolvida uma configuração experimental que refletisse um cenário de aplicação real. Uma das superfícies dos painéis sanduíche é submetida a alta temperatura, enquanto a outra fica a temperatura ambiente, criando um gradiente térmico que gera transferência de calor entre os dois ambientes.Esta configuração permitiu o estudo do comportamento térmico para diferentes níveis de temperatura. Cada teste consistiu em 5 etapas de temperatura: 40oC, 80oC, 120oC, 160oC e 200oC. O procedimento de teste incluiu períodos de regime permanente (para níveis de temperatura predefinidos) e períodos de regime transiente, resultantes da transição do patamar de temperatura. Assim, foi possível determinar o efeito da temperatura na condutividade térmica e no calor específico. Também foi possível observar o efeito da temperatura na aparência e na integridade estrutural dos materiais. A condutividade térmica a 10oC foi também determinada experimentalmente de acordo com metodologias e equipamentos normalizados. Estes resultados estavam de acordo com a condutividade térmica determinada para o primeiro nível de temperatura, validando a configuração experimental desenvolvida. Em relação ao calor específico, foi utilizado uma metodologia indireta. Este método combina os dados experimentais com os resultados de um modelo de transferência de calor transitório analítico unidimensional, alinhando os valores experimentais registrados pelos termopares com os resultados analíticos usando uma abordagem iterativa.Em relação à caracterização mecânica, foi avaliada a viabilidade do uso da técnica de excitação por impulso (IET) para avaliar a variação do módulo de Young destes materiais com a temperatura. As espumas poliméricas foram estudadas até 100 oC, a balsa foi estudada até 160oC, enquanto a lã mineral foi excluída deste teste. Este estudo foi validado com testes estáticos de flexão-quatro pontos. A aplicação desta técnica elimina a necessidade de realizar testes estáticos nos quais máquinas universais de ensaio são colocadas dentro de câmaras climáticas. Além disso, outros testes mecânicos foram realizados: testes de corte para determinar a resistência ao corte, testes de flexão-quatro pontos para perceber como o corte contribui para a rotura em flexão e testes de compressão para determinar a resistência à compressão. Todos estes testes foram realizados à temperatura ambiente. Climate chamber tests are becoming more prevalent as the quality level expected from products and components increases. As testing conditions become more demanding, the elements that make up the envelope of the chambers, usually sandwich panels, are exposed to a wide range of temperatures. It is important to understand how the mechanical and thermal properties of the core materials in the sandwich panels change when subjected to these temperatures. In this context, this work was set out to perform a thermal and mechanical characterisation of four core materials often used in sandwich panels: balsa wood, mineral wool (MW), and polyethylene terephthalate (PET), polyurethane (PUR) rigid foams.The thermal characterisation focused on two main thermal properties: thermal conductivity and specific heat. To evaluate these features, an experimental setup was developed to reflect a real application scenario. In it, one of the surfaces of the sandwich panels is submitted to a high temperature, while the other faces the indoor room temperature, creating a thermal gradient that generates heat transfer between both environments. The setup allowed the study of thermal behaviour for different temperature levels. Each test comprised of 5 temperature steps: 40ºC, 80ºC, 120ºC, 160ºC, and 200ºC. The test procedure included steady state (for predefined temperature levels) and unsteady state periods, resulting from the temperature level transition. This made it possible to determine the effect of temperature on thermal conductivity and specific heat. It was also possible to observe the effect of temperature on the materials’ appearance and structural integrity. Thermal conductivity at 10oC was also experimentally determined in accordance with normalized methodologies and equipment. These results were in accordance with the thermal conductivity determined for the first temperature level, validating the developed experimental setup. Regarding specific heat capacity, an indirect method was used. This method combines the experimental data with results from a one-dimensional analytical transient heat transfer model, by aligning the experimental values registered by thermocouples with the analytical results using an iterative approach.Regarding the mechanical characterisation the feasibility of using impulse excitation technique (IET) to evaluate the variation of Young’s modulus of these materials with temperature was evaluated. The polymeric foams were studied up to 100 ºC, balsa wood was studied up to 160 ºC, while mineral wool was excluded from this test. This study was validated with static four-point bending tests. The application of this technique eliminates the need to perform static tests in which universal testing machines are placed inside climatic chambers. Additionally, other mechanical tests were performed: shear tests to determine shear resistance, four-point-bending tests in order to understand how shear contributes for rupture in bending, and compression tests to determine compression resistance. All of these tests were carried out at room temperature.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Hoje em dia, e cada vez mais, acentua-se a necessidade de reduzir a pegada ecológica provocada pelos veículos movidos a motores de combustão interna. Assim, nos últimos anos, as tecnologias de células de combustível têm recebido globalmente um aumento de atenção. As células de combustível de hidrogénio são uma boa alternativa aos motores de combustão interna. Estas convertem energia química diretamente em energia elétrica através de reações eletroquímicas que envolvem hidrogénio e oxigénio. Estas baterias são compostas por uma repetição de várias células menores, denominadas de PEM, proton exchange membranes, sendo as mais utilizadas e fortemente alvo de investigação. Portanto, várias técnicas de produção começaram a ser aplicadas para produzir o principal componente das PEM, as placas bipolares, em materiais metálicos.O processo de conformação plástica com recurso a ferramentas de borrachas permite obter peças com excelente qualidade superficial e baixo custo de produção. No entanto, estas borrachas tendem a falhar mecanicamente devido à sua baixa resistência mecânica. Portanto, é necessário um profundo conhecimento do seu comportamento de modo a otimizar este processo. Deste modo, o objetivo deste trabalho é o projeto e conceção de um equipamento para avaliar experimentalmente o comportamento mecânico de borrachas de poliuretano solicitadas ao corte, aplicando métodos numéricos para a simulação de vários mecanismos e os próprios ensaios. As borrachas são materiais praticamente incompressíveis, que apresentam simultaneamente comportamento elástico e comportamento e viscoso, podendo ser sujeitas a grandes deformações. Assim, ao longo deste trabalho foi usado o modelo constitutivo Mooney-Rivlin para definir a hiperelasticidade e o modelo de Maxwell generalizado com 4 elementos para descrever a viscosidade.O mecanismo desenvolvido mostrou-se capaz de ensaiar as borrachas ao corte, não apresentado à partida qualquer inconveniente. Utilizando os resultados provenientes dos ensaios laboratoriais, foram obtidos por meio de uma calibração os valores referentes aos parâmetros que caracterizam o modelo constitutivo de Mooney-Rivlin e os parâmetros da viscosidade para os 4 elementos de Maxwell. Desta forma, foi possível fazer uma comparação entre os resultados experimentais e os resultados obtidos numericamente, os quais apresentam uma discrepância que se deve ao facto de o Abaqus utilizar uma formulação matemática ligeiramente diferente da utilizada no processo de calibração dos parâmetros. No entanto, é possível assim afirmar que os parâmetros obtidos caracterizam devidamente a solicitação de corte e a relaxação de tensões das duas classes de poliuretano estudadas. Nowadays, there is an increasing need to reduce the ecological footprint caused by the vehicles powered by internal combustion engines. Thus, in recent years, fuel cell technologies have received increased attention globally.Hydrogen fuel cells are a good alternative to internal combustion engines. These convert chemical energy directly into electrical energy through electrochemical reactions involving hydrogen and oxygen. These batteries are composed by a repetition of several smaller cells, called PEM, proton exchange membranes, being the most widely used and deeply investigated. Therefore, various production techniques began to be applied to produce the main component of PEM, bipolar plates, in metallic materials.The rubber pad forming process allows the production of parts with excellent surface quality and low production cost. However, these rubbers tend to fail mechanically due to their low mechanical strength. Therefore, a detailed knowledge of their behavior is required in order to optimize this process. Thus, the objective of this work is the design and production of an equipment to experimentally evaluate the mechanical behavior of polyurethane rubbers subjected to shear stresses, applying numerical methods for the simulation of various mechanisms.Rubbers are practically incompressible materials that simultaneously exhibit elastic and viscous behavior and can be subjected to large deformations. Thus, throughout this work, the Mooney-Rivlin constitutive model was used to define hyperelasticity and a generalized 4 elements Maxwell model to describe viscosity.The developed mechanism proved to be able to test the rubbers when subjected to shear stresses, without presenting any inconvenience. Using the results from the laboratory tests, the values referring to the parameters that characterize the Mooney-Rivlin constitutive model and the viscosity parameters for the 4 Maxwell elements were obtained, by calibration. Thus, it was possible to make a comparison between the experimental results and the numerically ones, which present a discrepancy due the fact that Abaqus uses a slightly different mathematical formulation than that used in the parameter calibration process. However, it is possible to state that the obtained parameters properly characterize the shear stress and stress relaxation of the two polyurethane classes studied.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia O presente trabalho foi desenvolvido no decurso do estágio curricular realizado na empresa SRAMPORT, empresa que tem como principal atividade o fabrico de correntes de bicicleta. Este estágio envolveu, numa primeira fase, a observação e análise do funcionamento dos vários processos que integram a zona do Tratamento Térmico Delta e, posteriormente, o estudo, proposta e projeto de soluções que visam melhorar as condições de trabalho e que, ao mesmo tempo, permitam ganhar sistematização no processo.O Tratamento Térmico Delta tem como finalidade revestir alguns dos componentes da corrente com uma camada de carbonetos de crómio. Esta camada depositada, muito dura, aderente e compacta conferirá uma maior resistência ao desgaste dos componentes. Após uma cuidada análise de vários métodos alternativos de limpeza das retortas, conclui-se que, entre os testados, o método mais eficaz para a sua limpeza seria com água. Ficou por testar uma solução das apresentadas, a limpeza com um escovilhão industrial que será testada à posterior, não sendo, assim, nesta fase, possível estimar qual a solução mais viável e mais económica.Para o transporte das retortas, quando estas saem do forno, para a banca de arrefecimento, foi apresentada uma solução onde as retortas não têm de ser transportadas com auxílio da ponte rolante. Para tal desenhou-se uma nova banca de arrefecimento adaptada ao carro de transporte, eliminando uma tarefa e reduzindo o risco.Foi proposta, e testada, uma técnica mais limpa, e precisa, para o teste de estanquicidade, aplicando um método de queda de pressão em substituição do método visual por imersão em tina de água.A carga e a descarga passarão a ser independentes, tendo sido proposta a automatização da descarga e a realização destas duas tarefas em dois pontos diferentes.Com base nas soluções propostas foi definido um novo fluxo de trabalho e um novo layout, dependente das soluções a implementar. The current work was developed during the curricular internship at SRAMPORT. This company’s main activity is the manufacture of bicycle chains.The first stage of work was the observation and analysis of the system operation, including various processes that belong to Delta Thermal Treatment area. Later, the working group started the study, proposal and design of solutions that aim not only to achieve better working conditions, but also to gain robustness in the process and achieve greater confidence in the quality of the treated pieces.The goal of Delta Heat Treatment is to coat some of the chain components with a chromium carbides layer. After being deposited, this very hard, adherent and compact layer will provide greater wear resistance to the components. After carefully analyzing several alternative retort cleaning methods, it is concluded that among those tested, the most effective method would be with water. The cleaning using an industrial brush, one of those solutions previously presented, was not tested. Therefore, at this stage, it is not allowed to estimate which solution is the most viable, both logistically and economically. For the transport of retorts, from kiln to the cooling stand, it was proposed a solution in which the use of an overhead crane is not required. In order to achieve that, a new cooling stand was drawn. This stand is more suitable to the transport car, as it eliminates one task and lowers down risks. For the tightness testing, it was proposed a cleaner and more accurate technique, using the application of a pressure drop method in place of the visual method by soaking in a water tub.In this method, the charge and discharge are now independent, by proposing the automation of the discharge and performing both at two different points.According to the proposed solutions, a new workflow and a new layout were established, depending on the solution to implement.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia A manutenção condicionada é um tipo de manutenção subordinada a um acontecimento predeterminado. As ações de manutenção são desencadeadas quando se atingem valores críticos associados ao funcionamento do equipamento. Este tipo de manutenção é caraterizada pelo uso de sensores cuja informação obtida através destes é confrontada com valores de alarme predefinidos, requerendo para isso uma vigilância periódica ou permanente dos equipamentos em causa.O objetivo primordial deste trabalho é auxiliar o desenvolvimento de um dispositivo para análises de óleos industriais, que terá como objetivo da sua utilização a implementação neste género de manutenção. Utilizando o mercado atual como ponto de partida, a intenção passa por melhorar diversas caraterísticas no que diz respeito a recolha e caracterização dos óleos. A otimização destes parâmetros foi feita através de diversos processos iterativos, com a finalidade de produzir um protótipo capaz de competir com os concorrentes de mais alto nível no mercado atual.Este trabalho expõe as principais técnicas utilizadas na produção do protótipo em causa e explica o impacto que diferentes parâmetros tem na caracterização do óleo e, consequentemente, da sua importância a nível industrial.No final, o trabalho de otimização e calibração dos sensores contou com mais de trinta ensaios, em que se observou o comportamento do dispositivo quando solicitado aos diferentes testes impostos, de modo a perceber a sua resposta perante parâmetros críticos na análise de óleos.O resultado do projeto culminou em um protótipo capaz de analisar vários parâmetros do óleo diretamente relacionados com a sua degradação assim como perceber o estado de saúde do equipamento que alimenta, permitindo assim às equipas de manutenção agir proactivamente. Condition based maintenance is a type of maintenance that is subordinated to a default event. Maintenance actions are unleashed when critical values associated to the operation of the equipment are reached. This kind of maintenance is characterized by the use of sensors. The information that is captured is confronted with predefined alarms, requiring a periodic or permanent control of the equipment.The principal goal of this dissertation is to assist the development of a device intended to analyze industrial oils, that are aimed to be used in this kind of maintenance. Using the current market as a starting point, the objective is to improve several characteristics as far as collecting and analyzing oils is concerned. The optimization of these parameters was performed through several iterative processes, in order to produce a prototype capable of competing with the top manufacturers of the current market.This paper presents the techniques used in the production of this prototype and explains the impact of different parameters on the characterization of the oil and, consequently, its industrial importance and relevance.In the end, the work of optimization and calibration of the sensors counted more than thirty tests, in which the performance of the device was observed when requested by different tests, with the purpose to understand the answer towards critical parameters in an oil analyzes.The result of the project culminated in a prototype capable of analyzing various oil parameters directly related with the degradation as well as to perceive the state of the equipment that it feeds, thus allowing the maintenance team to act proactively. Outro - Cofinanciado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER)

Dissertação de Mestrado Conjunto Europeu em Tribologia de Superficies e Interfaces apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia As ligas de titânio têm sido utilizadas em várias aplicações desde a indústria aeroespacial e automóvel e também como materiais para aplicações biomédicas (por exemplo, usados como implantes) devido à sua alta resistência ao desgaste e corrosão. A liga de Titânio Ti6Al4V, também conhecido como Grau 5, tem sido usada com sucesso em aplicações de engenharia biomédica (por exemplo, implantes dentários ou articulações de joelho) devido a ter excelentes características mecânicas e biocompatibilidade com características adequadas de corrosão.Como o Ti6Al4V é utilizado em aplicações especializadas, por ter a opção de construção e controle geométricos de certos parâmetros como a porosidade, muitas vezes é possível produzir uma liga como um produto impresso em 3D, que reduz a matéria-prima utilizada, mas também reduz o tempo de produção desde a fabricação até o acabamento.Comparando duas amostras de Ti6Al4V, uma produzida usando manufatura subtrativa convencional (usinagem) e outra produzida usando processo de manufatura aditiva - FSL (Fusão Seletiva por Laser). Eles foram testados em termos eletroquímicos pelo método de polarização potenciodinâmica, seguido por monitorização do potencial em circuito aberto antes, após e durante um teste tribológico contra uma esfera de Zircónio enquanto submerso em saliva artificial (para reproduzir o ambiente da cavidade bocal) sujeito a cargas de 3, 5 e 7 N.O potencial do elétrodo de trabalho foi monitorizado utilizando a técnica de Potencial de Circuito Aberto em condições simples de repouso e com início do teste tribológico (deslizamento alternativo de configuração bola-plano) para diferentes cargas e número de ciclos e frequência constante. Curvas de polarização, representando a densidade de corrente (A / cm2) vs. Potencial (V vs. SCE) foram obtidas e a resistência à corrosão foi comparada e discutida, seguida de uma avaliação de COF e desgaste. Titanium alloys have been utilized in various applications from Aerospace and Automobiles to their use as biomedical materials (eg. used as an implant) which is due to their high resistance of the combined wear and corrosion which could otherwise be detrimental to the lifetime of the product. Ti6Al4V, also known as Grade 5 Titanium alloy commercially, has been successfully used in biotechnology applications (e.g. cavity implants or knee joints) due to having best of both worlds (excellent mechanical characteristics and biocompatibility with suitable tribo-corrosion characteristics). Since Ti6Al4V is used in specialized applications, by having the choice to play with the geometrical construction and control, of certain parameters like porosity, it is often tempting to produce such alloy as a 3D printed product, which not only reduces raw material used but also reduces the lead time from manufacturing to finishing. Comparing two samples of Ti6Al4V, one produced using conventional subtractive manufacturing (machining) and another produced using additive manufacturing process - Selective Laser Melting (SLM). They were tested for electrochemically by Potentiodynamic Polarization Method, followed by Open Circuit Potential (OCP) monitoring before, after and during a tribological test against a Zirconia counter body while being submerged in artificial saliva (to mimic a dental implant) per load (3, 5 and 7 N) per sample.The potential of the working electrode was monitored using the Open Circuit Potential (OCP) technique under simple resting conditions and with tribometer input (reciprocating sliding of ball-on-flat configuration) for different loads for the same number of cycles and frequency. Polarization curves, representing the current density (A/cm2) vs. potential (V vs. SCE) were obtained and the corrosion resistance was compared and discussed followed by an evaluation of COF and wear. Outro - Erasmus Mundus

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia O objetivo principal deste trabalho é fazer um estudo teórico, usando um modelo de contacto proposto por , que visa validar, ou não, testes realizados num tribómetro de disco duplo, no Institut Supérieur de Mecánique de Paris (SUPMECA), comparando, ambos os resultados, como a teoria linear de Kalker. Para tal, fez-se um estudo alongado sobre o contacto entre superfícies cilíndricas lisas e rugosas, carregadas com diferentes tipos de esforços, começando no mais simples, acabando no mais complexo. Muitas das avaliações feitas neste trabalho, tiveram por base modelos já existentes que serão corretamente citados à posteriori. No final irá, então, fazer-se a comparação de ambos os resultados para ver se se chega a um consenso quanto à validade das experiencias feitas.O objetivo principal deste trabalho é fazer um estudo teórico, usando um modelo de contacto proposto por , que visa validar, ou não, testes realizados num tribómetro de disco duplo, no Institut Supérieur de Mecánique de Paris (SUPMECA), comparando, ambos os resultados, como a teoria linear de Kalker. Para tal, fez-se um estudo alongado sobre o contacto entre superfícies cilíndricas lisas e rugosas, carregadas com diferentes tipos de esforços, começando no mais simples, acabando no mais complexo. Muitas das avaliações feitas neste trabalho, tiveram por base modelos já existentes que serão corretamente citados à posteriori. No final irá, então, fazer-se a comparação de ambos os resultados para ver se se chega a um consenso quanto à validade das experiencias feitas The main objective of this work is to do a theoretical study, using a contact model proposed by, which aims to validate, or not, tests performed in a double disc tribometer, at the Institut Supérieur de Mecánique de Paris (SUPMECA), comparing both results , such as Kalker's linear theory. For this, an elongated study was made on the contact between smooth and rough cylindrical surfaces, loaded with different types of efforts, beginning at the simplest, finishing at the most complex. Many of the evaluations made in this work were based on existing models that will be correctly cited a posteriori.At the end, then, both results will be compared to see if there is a consensus about the validity of the experiences made.The main objective of this work is to do a theoretical study, using a contact model proposed by, which aims to validate, or not, tests performed in a double disc tribometer, at the Institut Supérieur de Mecánique de Paris (SUPMECA), comparing both results , such as Kalker's linear theory. For this, an elongated study was made on the contact between smooth and rough cylindrical surfaces, loaded with different types of efforts, beginning at the simplest, finishing at the most complex. Many of the evaluations made in this work were based on existing models that will be correctly cited a posteriori.At the end, then, both results will be compared to see if there is a consensus about the validity of the experiences made.The main objective of this work is to do a theoretical study, using a contact model proposed by, which aims to validate, or not, tests performed in a double disc tribometer, at the Institut Supérieur de Mecánique de Paris (SUPMECA), comparing both results , such as Kalker's linear theory. For this, an elongated study was made on the contact between smooth and rough cylindrical surfaces, loaded with different types of efforts, beginning at the simplest, finishing at the most complex. Many of the evaluations made in this work were based on existing models that will be correctly cited a posteriori.At the end, then, both results will be compared to see if there is a consensus about the validity of the experiences made.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia A indústria farmacêutica enfrenta o grande desafio de garantir a conformidade de todos os seus processos ao longo do ciclo de vida de um produto, desde a aquisição das matérias-primas até a expedição do produto acabado. Tendo em conta que, a atividade de uma indústria farmacêutica compreende os processos relativos ao fabrico e embalamento dos seus produtos, cumprindo sempres os requisitos e regulamentos necessários ao controlo de qualidade, é necessário efetuar a validação das instalações, dos processos e ainda dos equipamentos implicativos na qualidade do produto final.A empresa ao garantir a conformidade de todas as etapas envolvidas neste ciclo, demonstra perante as autoridades regulamentares e clientes, o cumprimento dos requisitos mínimos necessários que asseguram a qualidade, segurança e eficácia dos seus produtos. Suportada por evidências documentais bem definidas, permitirá a obtenção da Autorização de Introdução do Mercado (AIM), que consentirá a comercialização dos produtos.A presente dissertação insere-se nos ramos da manutenção e da garantia da qualidade da empresa Farmalabor, uma vez que, todas as conformidades são asseguradas por um trabalho conjunto entre estes dois departamentos. É feita uma introdução ao tema de qualificação de equipamentos nesta indústria e descrito de seguida o processo de qualificação de um sistema de aquecimento, ventilação e ar condicionado (AVAC). Foi uma experiência enriquecedora e desafiante na medida que permitiu ao autor sair da sua zona de conforto, inserindo-se num ambiente industrial, possibilitando a integração numa nova realidade. Durante o estágio de duração de seis meses surgiu a oportunidade de contactar com diversos setores de atividade, dos quais o autor tentou tirar o máximo proveito. Nowadays the organizations inserted on the pharmaceutical industry faces the great challenge of assurance the conformity of its processes over the life cycle of products, since acquisition of the raw material until the expedition of the finished product.The industry activities englobe every process linked to the manufacturing and packaging of its products, complying with quality control requisites and regulations. For this reason, it is necessary to validate installations, processes and equipment that affect the quality of the manufactured product.Therefore, the company by ensuring the compliance of each step of the process can prove to regulatory authorities and clients that the minimum criteria are met to assure the product quality and its efficiency. Documental evidence allows obtaining the Market Introduction Authorization, authorizing the selling permission of the products.The present dissertation is inserted in the Farmalabor’s maintenance and quality departments, that working together can ensure the conformity of every installation, equipment and system. It is made in this thesis an introduction to the qualification theme of equipment and later a description to the process of qualification a heating, ventilation and air conditioned (HVAC) system.It was an enriching and challenging experience for the author that made him to get off his comfort zone, by entering an industrial environment and getting in touch with a different reality. There were several opportunities through the internship period to know different activity sectors of which he tried to take maximum advantage.

Tese de doutoramento em Engenharia Mecânica, na especialidade de Integridade Estrutural, apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra The electric and electronic connectors market represents an area of business widely present on every industry, direct or indirectly. Roughly, the annual production in this sector is one trillion connectors, in which more than 200 billion belong to the automotive industry (estimated in 21%), with increasing perspectives. Power supply and signal communication in automotive contacts, take great interest in stainless steel, nickel and gold platted. The problem with this coatings is their resistance to the wear process, in the present situation, fretting wear who dictates that the majority of contact life will be performed by bulk materials contact behaviour. These specific type of steels, AISI 304, are commonly used when a good elastic behaviour is needed like spring contacts, high elastic modulus, but also battery contacts, particularly coin batteries. As this type of contact is often used in a large number of small connectors, especially on the interface of printed circuit boards, there is a significant interest in studying the entire problem. Austenitic stainless steels have some properties, mainly the low oxidation rate, that, allied with relatively low cost and availability, qualify this type of material for this specific task. Current work deals with different effects in the contact surfaces subjected to fretting movements and electric current flow. The main purpose is to establish a relationship between the energy dissipation by friction and the energy dissipation by the Joule effect as well as the synergetic effects. The fretting tests consisted in reciprocating movements on a sphere-on-flat-surface contact geometry. The electric current was kept constant during the entire test at various set values, ranging from 0 mA (no current), corresponding to no energy dissipation by the Joule effect, to 120 mA. The addition of energy in the contact by the Joule effect increases the oxidation of the contact surfaces, inducing wear acceleration in both specimens by synergetic effect. A synergetic model was introduced in order to quantify individual contributions to total wear volume, which is composed by mechanical wear, a joule effect parcel of wear and an incremental factor of degradation due to the combined effect. This model allows to forecast the expected wear volume for a specific contact condition. Specially in the cases were coatings are used to guarantee good electric performance in the contact, further the global wear amount, the prediction of local wear is fundamental to estimate the evolution of the electric contact performance. In order to accomplish this objective a wear model suitable for sliding and fretting wear was designed, allowing to estimate the volume loss on contact surfaces based on friction dissipated energy. Hertzian normal contact pressure and a friction stress field are used to determine the resulting contact stresses leading to local analysis of the wear process. An experimental validation study was performed using two pairs of materials commonly used in mechanical applications, regarding an Alumina sphere (Al2O3) against an AISI M2 steel flat specimen for the sliding reciprocating tests and an AISI 52100 steel sphere against an AISI M2 steel flat specimen for the fretting tests. The results present a very good correlation between experimental data and predicted values from the wear model, in spite of a high dependency on experimental wear rate values used in the model. The resulting wear is compared considering both the local wear depth and the wear volume of experimental tests with the forecasted values. Preliminary studies suggest the relevance of contact compliance as well as the debris removable and agglomeration affinities. Nevertheless, both parameters influence wear and electric resistance in an inverse way, mainly because agglomeration of wear particles in the contact tend to decrease wear (protective layer) but increase largely the resistance. In the last years, texturing were used as a way to improve the performance of several types of mechanical contacts, and some studies have been done even for the application of these techniques to electric contacts. Therefore, analyzing surface texturing influence, dimples and hollows, on the wear and electric conduction of AISI 304 subjected to reciprocating fretting tests was of most importance. Doing so, the ability to accommodate said debris outside the contact on textured surfaces will be considered as a possibility to improve the performance of electric contacts. Tests were conducted for different sphere radius, texture densities and orientation. There is an obvious influence of contact radius on the electric performance in these type of contacts and basically almost any texture surface is better than a flat surface, counting that the surface is not easily saturated and the contact is multiple. O mercado dos conectores ou componentes eletrónicos e elétricos estão presentes em diversas áreas da indústria, direta ou indiretamente. Aproximadamente, a produção anual deste tipo de componentes é de mais de um bilhão, dos quais cerca de 21% fazem parte da industria automóvel, com elevadas tendências de crescimento. Na indústria automóvel, aços inox com revestimentos de níquel ou ouro são de muito usados em contactos com passagem de corrente, alimentação ou comunicação. O problema com estes revestimentos é a sua resistência ao desgaste, na presente situação desgaste por fretting o qual dita em grande parte da vida das conexões será suportada pelos materiais de base e suas propriedades. Este tipo de aços inox, AISI 304, são comummente aplicados em situações que requerem bom comportamento elástico como molas de contacto, elevado módulo de elasticidade mas também em invólucros de baterias, especificamente baterias moeda. Como este contacto é tipicamente usado em pequenos componentes, com especial atenção para contactos com placas de circuito interno, existe elevado interesse em analisar o problema. Aços inoxidáveis austeníticos possuem diversas propriedades interessantes, nomeadamente a resistência à oxidação que aliada ao baixo custo e facilidade de acesso qualificam este material para esta tarefa específica. O presente trabalho lida com os diferentes efeitos nas superfícies de contacto sujeitas a fretting e passagem de corrente em aços inoxidáveis austeníticos. O principal objetivo é estabelecer a relação entre a energia dissipada por atrito e a energia dissipada por efeito de joule e seus efeitos sinergéticos. Os ensaios de fretting consistiram em testes de movimento reciproco com contacto de esfera sobre plano. A corrente elétrica foi mantida constante durante cada ensaio, em vários valores pré estabelecidos desde 0 mA (sem corrente), que corresponde a uma adição nula de energia dissipada por efeito de joule, até 120 mA. A adição de energia dissipada por efeito de joule no contacto aumenta a oxidação, induzindo uma aceleração no desgaste em ambas as amostras por efeito sinergético. Foi apresentado um modelo sinergético por forma a quantificar as contribuições individuais para o desgaste total, que será composto por desgaste mecânico, uma parcela de desgaste por efeito de joule e um fator incremental de degradação devido ao efeito combinado das duas fontes de desgaste. Foi também desenvolvido um modelo de desgaste adequado a desgaste alternativo e fretting, que permite estimar o volume de desgaste em superfícies sujeitas a energia dissipada por atrito. A pressão normal de contacto hertziana e o campo de tensões de atrito foram usados para determinar as tensões resultantes no contacto facilitando uma análise local. A validação experimental foi elaborada com recurso a dois pares de materiais usados comummente em aplicações mecânicas, esfera Alumina (Al2O3) contra um aço AISI M2 com amostra plana nos ensaios de desgaste alternativo e uma esfera de aço AISI 52100 contra uma amostra plana de aço AISI M2 nos ensaios de fretting. Os resultados apresentam uma boa correlação experimental e prevista pelo modelo, mesmo tendo em conta a elevada dependência no modelo da taxa de desgaste experimental. Os resultados foram comparados considerando as variações de volume local e globais, nas principais secções das marcas de desgaste. Algumas análises preliminares sugerem a importância da acomodação do contacto assim como a capacidade de expulsar e acomodar partículas de desgaste. Mesmo assim, ambos os parâmetros são de extrema importância no desgaste e resistência elétrica mas de forma inversa, visto que aa aglomeração de detritos no contacto aumenta a impedância mas tende a amenizar o desgaste (camada protetora). A análise da influência da textura, entenda-se por concavidades e convexidades, no desgaste e condução elétrica de aço AISI 304 sujeito a ensaios de fretting é de extrema importância. Fazendo isto, seremos capazes de determinar a habilidade para acomodar as partículas de desgaste fora do contato. Foram conduzidos ensaios para diferentes raios da esfera, densidade de textura e orientação. Existe uma tendência óbvia na influência do raio de contacto na performance elétrica neste tipo de contatos e basicamente qualquer textura melhora esta mesma performance face a uma superfície plana, contando que a superfície não seja saturada no imediato e se estabeleça contato múltiplo. COMPETE – Programa Operacional Factores de Competitividade - CENTRO -07-0224 -FEDER -002001 (MT4MOBI)

Os materiais de atrito desempenham um importante papel no sistema de travagem. Assim sendo, para que cumpram com eficácia a sua função, devem, entre outras características, ter um coeficiente de atrito estável e dar resposta a diferentes situações de aplicação, nomeadamente, pressão aplicada, temperatura, velocidade e humidade. Devem ainda possuir outros requisitos, tais como, resistência a contaminações líquidas, resistência ao calor e estabilidade térmica, baixa taxa de desgaste e não provocar danos no disco. As pastilhas e os calços de um veículo são elementos essenciais no sistema de travagem, visto que são responsáveis por uma travagem que se deseja eficiente e segura, e por isso, alvo de uma grande evolução ao longo dos tempos. No fabrico das pastilhas de travão é utilizada frequentemente uma extensa gama de diferentes materiais, com inúmeras possibilidades de combinação, que cumprem funções específicas. Os métodos de ensaio que têm sido desenvolvidos para testar tribologicamente os materiais de atrito são muitos e a sua evolução é uma constante. Devido a limitações que alguns métodos apresentam, têm sido feitos estudos para determinar o grau de correlação entre os resultados dos testes obtidos em laboratório e os obtidos em veículos reais, concluindo-se que não há testes de laboratório que de uma forma consistente forneçam dados que se correlacionem com os obtidos em situação de serviço. Por outro lado, estes ensaios são muito demorados e de elevado custo, tendo sido desenvolvidos, para este tipo de pesquisas, de forma independente e a menor escala, outro tipo de testes que, dependendo dos parâmetros que se pretendem avaliar, podem ser instrumentalizados para esse fim. No presente estudo submetemos seis materiais a ensaios, sendo estes, BREKA, COMERCIAL 70-30, PESADO, 50-20, PLACAS, 55-30. Todos os materiais foram caracterizados mecanicamente, mas só foi possível caracterizar tribologicamente os materiais PLACAS, BREKA e COMERCIAL 70-30, por falta de amostras suficientes dos restantes materiais. Para realizar os ensaios tribológicos para cada material, foram utilizadas três pressões diferentes e para cada pressão foram efetuados três ensaios de duração diferente. Os ensaios tribológicos foram efetuados numa máquina denominada Friction Assessment Screening Test (F.A.S.T), tendo sido substituídas algumas peças originais e feitas adaptações de modo a permitir a obtenção dos dados de forma digital. Como outputs foram obtidos a força normal, a força de atrito e a temperatura da pastilha. O desgaste de cada pastilha foi determinada através de pesagem. A comparação do desempenho das formulações foi realizada através da representação gráfica da força de atrito e coeficiente de atrito ao longo da distância de escorregamento, assim como a massa de desgaste de todos os materiais sujeitos a ensaio. Foi ainda feita, para auxiliar a compreensão de resultados obtidos, a caracterização mecânica dos materiais e determinados os valores de módulo de elasticidade dinâmico, módulo de elasticidade estático, dureza e resistência à flexão/tenacidade. Genericamente, verificou-se um aumento do desgaste com o aumento da pressão aplicada ao provete e com o aumento da distância de escorregamento, como era expectável. Todos os materiais apresentaram valores de desgaste específico no intervalo que é tomado como referência (40 mg/MJ a 100 mg/MJ) na classificação do material de atrito como aceitável. Relativamente ao desgaste volúmico e desgaste específico, os materiais PLACAS e COMERCIAL 70-30 tiveram valores de desgaste muito semelhantes para todos os tipos de ensaios. O material BREKA, pelo contrário distingue-se dos outros dois por apresentar valores de desgaste muito inferiores. Quanto ao coeficiente de atrito, o material que apresentou maior coeficiente de atrito foi o PLACAS e o material que apresentou o menor coeficiente de atrito, foi o BREKA. No que toca às propriedades mecânicas, o módulo de elasticidade de todos os materiais de atrito diminuiu com o aumento da temperatura. Friction materials play an important role in the braking system. Therefore, to fulfill effectively its function, it should, among other characteristics, have a stable friction coefficient and respond well to different application situations in particular applied pressure, temperature, velocity and humidity. They must also have other requirements such as resistance to liquid contamination, good heat resistance and thermal stability, low wear rate and not cause damage to the disk. The pads and shoes of a vehicle are essential elements in the braking system, as they are responsible for braking which desired to be efficient and secure, and therefore the target of a major evolution over time. In the manufacture of brake pads is often used a wide range of different materials with numerous combination possibilities, which fulfill specific functions. The test methods that have been developed to tribologically test friction materials are many and its evolution is a constant. Due to limitations of some methods, studies have been made to determine the degree of correlation between the test results obtained in the laboratory and results obtained in vehicles, it has been concluded that there are no laboratory tests that consistently provide data that has any correlation with those obtained in vehicles. Moreover, these tests are time consuming and costly, leading to the development of other independent subscale tests, that can have different control and instrumentation depending on the parameters wished to evaluate. In the present study we submitted six materials to testing, which are, BREKA, COMMERCIAL 70-30, PESADO, 50-20, PLACAS, 55-30. All materials were characterized mechanically, but it was only possible to characterize the tribologically materials PLACAS, BREKA and COMMERCIAL 70-30, due to the lack of sufficient samples of other materials. To perform tribological tests for each material were used three different pressures and for each pressure were performed three different length tests. The tribological tests were performed on a machine called Friction Assessment Screening Test (F.A.S.T), which has had some original parts replaced and adjustments made to allow data acquisition in digital form. As outputs the normal force, the frictional force and the temperature were acquired. The wear of each pad was determined by weighing. A comparison of the performance of the formulations was done by plotting the frictional force and coefficient of friction along the sliding distance as well as the wear volume of all the material under testing. To assist in understanding the results obtained, it was also done a mechanical characterization of all materials and determined the values of dynamic elasticity modulus, hardness and flexural strength/toughness. Generally, there was an increased wear with increasing pressure applied to the test piece and with increasing sliding distance, as was expected. All materials showed specific wear values within a range which is taken as reference (40 mg / MJ and 100 mg / MJ) to classify the friction material as acceptable. For the volumetric and specific wear, PLACAS e COMERCIAL 70-30 materials had very similar wear values for all types of tests. The BREKA material, on the other hand is distinguished from the other two by having much lower wear values. As for the coefficient of friction, the material with the highest coefficient of friction was the PLACAS and the material had the lowest coefficient of friction was BREKA. With respect to the mechanical properties, the modulus of elasticity of all the friction materials decreased with increasing temperature.

Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica na Especialidade de Produção e Projeto, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. Uma prótese tem uma grande importância na vida de qualquer amputado, nomeadamente as transfemurais e transtibiais que permitem que o indivíduo se desloque. Os componentes destes sistemas são produzidos adaptando-os ao nível de mobilidade dos amputados. Esta dissertação estuda um dos componentes: a interface, fundamental para o conforto do amputado por assegurar o contacto entre o membro residual e a prótese. O objetivo desta dissertação é verificar se é possível, num compósito com base em silicone e reforço em cortiça, variar as propriedades mecânicas do material da interface, alterando a concentração e a granulometria das partículas do reforço, de modo a que o material se adapte ao nível de mobilidade dos amputados. Adicionalmente foi realizado um estudo da variação das propriedades mecânicas do material com a fração mássica do agente de cura da matriz de silicone. Foi necessário conceber um novo método de produção para obter o compósito com as partículas de cortiça uniformemente distribuídas no volume das amostras. Para determinar os parâmetros que caraterizam mecanicamente este material procedeu-se à realização de diversos ensaios quer em regime estático (compressão estática e relaxação) quer em regime dinâmico (compressão cíclica e vibração livre). Foi ainda necessário recorrer a uma análise granulométrica para calcular a fração volúmica do reforço, assim como a distribuição dos diâmetros equivalentes das duas granulometrias de cortiça utilizadas. No ensaio de vibração livre recorreu-se a um oscilógrafo que nunca tinha sido utilizado para obter as propriedades mecânicas de um material. A verificação da adequação deste equipamento para este fim foi outro objetivo desta dissertação. O processo experimental concebido para produzir o compósito e a técnica de análise da granulometria foram bem sucedidos. Foi possível concluir que a granulometria das partículas de cortiça, dentro da gama testada, não tem influência nas propriedades mecânicas do compósito. Nos ensaios de compressão estática e de relaxação observou-se uma diminuição da rigidez com o aumento da fração volúmica de cortiça. Os ensaios dinâmicos nada permitiram concluir sobre o efeito da variação da cortiça nas propriedades viscoelásticas do material. Adicionalmente observou-se uma tendência semelhante em todos os ensaios na variação da rigidez com a fração mássica do agente de cura da matriz. A prosthesis has a big importance in the day-to-day life of any amputee, especially the transfemural and the transtibial which make the individual able to move. The components of these systems are produced in order to adapt to the mobility level of the amputee. In this work one of these components is studied: the interface, most important to the comfort of the amputee, because it provides the contact between the residual limb and the prosthesis. The objective of this study is to verify if it is possible, using a composite with a matrice in silicone and the reinforcement in cork, to adjust the interface material mechanical properties, by changing the fraction and the granulometry of the reinforcements particles, in a way that allows the material to be adapted to the amputee mobility level. Furthermore, a study of the variation of the mechanical properties with the mass fraction of the matrice curing agent was performed. A new method to produce the composite with the cork particles dispersed uniformly in the samples volume was designed. Several tests were carried out in order to obtain the parameters that define this material mechanically: static (static compression and relaxation) and dynamic (cyclic compression and free vibration). A granulometric analysis was needed to determine the reinforcement volume fraction, as well as the equivalent diameters distribution of the two cork granulometries. In the free vibration test the oscillograph was used for the first time to obtain the mechanical properties of a material. Another objective of this work was to assess the suitability of this equipment for this purpose. The experimental procedure designed to produce the composite and the granulometry analysis technique were successful. One conclusion was that the particle size of the cork particles, within the tested range, has no influence in the composite mechanical properties. Another, in the static compression and relaxation tests, was the decrease of the rigidity with the increasing cork volume fraction. The dynamic tests did not allow to reach any conclusion regarding the effect of different cork fractions on the material viscoelasticity properties. In addition, a similar trend in all studies of the stiffness variation with the mass fraction of the matrice curing agent was detected.

Introdução: O fretting é um fenómeno de desgaste que atinge qualquer componente mecânico, quando as suas superfícies são sujeitas a deslocamentos relativos de pequena amplitude. Este trabalho visa a investigação deste comportamento mecânico no caso concreto dos implantes dentários, por meio de ensaios experimentais. A ciência dos implantes massificou-se com uma taxa de sucesso elevada, mas ainda com um grande desconhecimento no que toca aos fenómenos de tribologia a eles associados. O objectivo deste estudo é de aprofundar o conhecimento das condições de trabalho dos implantes, com uma escolha mais informada dos pares de materiais, contribuindo deste modo para uma vertente mais humana da Engenharia. Métodos: como primeiro passo, procedeu-se à caracterização dos materiais por Microdureza assim como por Rugosimetria de palpação. Posteriormente foram conduzidos ensaios num tribómetro com os 2 pares de materiais mais comuns nestas aplicações: Titânio Grade 5 - Titânio CP 4; Titânio CP 4 - Dióxido de zircónio estabilizado com ítria. Para representar o acto mastigatório, foi adoptada esquema geometria de contacto plano – esfera. As marcas foram posteriormente analisadas por: Microscopia óptica, Perfilometria por laser e Microscopia electrónica de varrimento (SEM). Com base nessas medições, obteve-se o valor dos diâmetros das marcas, assim como os perfis transversais de desgaste, que permitiram estabelecer um critério decisivo para a escolha do melhor par de materiais. Resultados: muito embora a ordem de grandeza das propriedades a medir seja diminuta, é possível obter resultados consistentes. Com a comparação dos valores obtidos foi possível avaliar com mais precisão o comportamento dos materiais aplicados nos implantes, tanto a seco como com saliva. Conclusões: neste trabalho é realizada uma análise exaustiva do comportamento dos dois pares de materiais referidos, contribuindo para um melhor entendimento do fretting em implantes dentários.Introduction: Fretting is a wear phenomenon that occurs in all mechanical components, when their surfaces are subjected to small scale displacements. This work aims to investigate fretting of the dental implants, through experimental testing. The implant science has reached a widespread application with a high rate of success, but still without a deep comprehension of the associated tribology phenomenon. The main goal of the present essay is to develop the knowledge of the implant’s service conditions, with an enlightened choice of the intervening materials, in order to contribute to a more human side of Engineering. Methods: to begin, the materials under study were characterized by Micro hardness as well as direct contact roughness. Afterwards the tests were conducted in a tribometer with the two most common implant materials: Titanium Grade 5 – Titanium CP 4; Titanium CP 4 – Yttrium balanced Zirconium. To represent the chewing process, we chose the flat-on-ball contact geometry. The wear scars were later analyzed by Optical Microscopy, Laser profilometry and Scanning Electron Microscopy. These measurements allow to obtain the scars diameters also as the transversal wear profiles which will be the main criteria for selecting the best material. Results: although the properties magnitude to measure is minimum, it is possible to get consistent results. With the obtained values comparison is possible to evaluate with more precision the implant material behavior, in dry conditions as well under artificial saliva. Conclusions: In this work a thorough analysis of the material behavior was preformed, leading to a better understanding of fretting on dental implants.

The bicycle market gets ever more competitive, as bicycle utilization is growing, from commuting to competition, and every detail is important. The noise originated by the bicycle’s drivetrain won’t reach levels that can cause physiological effects, but can cause psychological effects on the rider, such as annoyance or focus loss, thus being a determinant factor for the client. Being able to test bicycle drivetrain noise would allow to compare different drivetrains and attest product improvements. The objective of this investigation is to develop a test that quantifies the noise for any bicycle drivetrain. Two hypotheses were investigated, vibration measurement and audio recording. Both hypotheses recorded the variation of an amplitude signal over time, that was then analyzed in frequency domain using FFT filters and quantified by RMS. A bicycle was equipped with a power meter and a cycling computer to display values of cadence and power, and fitted to a stationary trainer. Movement and load were generated by riding and braking the rear wheel. The accelerometer fixation and the vibration and audio data filtering were decided based on results of initial tests. A rattling noise characteristic of a bicycle’s drivetrain is audible on audio tests filtered between 3000 Hz and 14000 Hz. Noise levels increased at the chain engagement frequency, it’s double and at frequencies above. The results demonstrated that power, polygonal effect and cross chaining cause a small but noticeable increase in noise level, whereas cadence, chainring teeth number and component design significantly raise the levels of noise. Vibration and audio tests results had a good correlation and both achieved results consistent with what was expected when applied to different drivetrains. Vibration measurement might enable obtaining drivetrain noise results on real world riding, using portable vibration measurement and recording equipment. O Mercado das bicicletas torna-se cada vez mais competitivo, à medida que a utilização da bicicleta cresce, desde a utilização quotidiana à competição, e cada detalhe importa. O ruído originado pela transmissão de bicicleta não alcança níveis que causem efeitos fisiológicos, mas podem causar ao ciclista efeitos psicológicos, como incómodo ou perda de concentração, sendo por isso um fator importante para o cliente. Poder testar o ruído de uma transmissão de bicicleta permitiria comparar diferentes transmissões e comprovar melhorias nos produtos. O objetivo desta investigação é desenvolver um teste que quantifique o ruído para qualquer transmissão de bicicleta. Duas hipóteses foram investigadas, medição da vibração e gravação de áudio. Ambas as hipóteses registaram a variação de um sinal de amplitude com o tempo, que foi depois analisada em domínio de frequência através de filtros FFT e quantificada por RMS. Uma bicicleta foi equipada com medidor de potência e ciclo computador para mostrar valores de cadencia e potência e montada nuns rolos de treino estacionários. O movimento e a carga foram gerados a pedalar e a travar o travão de trás. A fixação do acelerómetro e a filtragem dos dados de ruído e vibração foram baseados em resultados de testes iniciais. Um ruído característico de uma transmissão de bicicleta é audível em testes de áudio filtrados entre 3000 Hz e 14000 Hz. Os níveis de ruído aumentaram na frequência do engrenamento da corrente, no seu dobro e em frequências superiores. Os resultados demonstraram que potência, efeito poligonal e cruzamento da corrente causam um pequeno mas percetível aumento no nível de ruído, enquanto que cadencia, número de dentes do prato e design dos componentes aumentam significativamente os níveis de ruído. Os resultados dos testes de vibração e ruído tiveram uma boa corelação e ambos obtiveram resultados consistentes com o espectável quando aplicados a diferentes transmissões. A medição da vibração pode permitir a obtenção resultados de ruído da transmissão em condições reais, utilizando equipamento de medição de vibração portátil.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Dissertação de Mestrado em Engenharia de Materiais apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. In this thesis work, radial fretting experiments were conducted in order to characterize the contact mechanism between a metallic stem and a ceramic femoral head. Titanium-6Al-4V, Titanium Grade 2 and Cobalt-chromium flat metal specimens were selected as stem materials against alumina counter-body, replicating a femoral head, with a diameter of 10 mm. The experiments were conducted both with and without saline solution. The latter to simulate body fluid environment effect on fretting mechanism. After experiments, the flat specimens were observed under an optical microscope and SEM. The wear profiles of flat surfaces were characterized by a 3D profilometry. The wear volume without solution results indicated that, cobalt-chromium has the highest amount of wear followed by Ti-6Al-4V and Titanium Grade 2 respectively. When saline solution is in contact, wear volume results were changed significantly. For each stem material, the wear amount increased remarkably as compared to the in dry condition. In addition, Titanium grade 2 has a higher wear volume than Ti-6Al-4V while cobalt-chromium has the highest amount of wear. SEM observation was performed to see oxidation and/or corrosion traces on the contact surfaces. The stick-slip regimes of worn surfaces induced by radial fretting were analysed by SEM images. It can be concluded that in both conditions, titanium alloys showed better wear properties than the cobalt-chromium alloy when used against an alumina ball. O presente trabalho incidiu sobre a caracterização do mecanismo de contacto entre a haste metálica e a cabeça cerâmica do fémur através de fretting de expansão radial. A geometria do contacto foi do tipo esfera-plano. Foram selecionado três materiais: duas ligas de titânio - grade 5 (6Al-4V) e grade 2 (CP titanium) e uma liga de crómio-cobalto sendo o contra corpo usado uma esfera de alumina com 10 mm. Os ensaios foram realizados com e sem presença de solução salina, sendo esta solução usada para simular o efeito dos fluidos corporais no comportamento ao fretting destes materiais. Após os ensaios, todas as amostras foram observadas em microscopia ótica e Microscopia Electrónica de Varrimento (MEV) tendo as respetivas marcas de desgaste sido caracterizadas por perfilometria 3D. Os resultados sem solução salina indicam uma menor resistência ao desgaste por parte da liga de crómio-cobalto seguida da liga titânio grade 5 e finalmente a liga grade 2. Quando a solução salina é adicionada o volume de desgaste aumenta significativamente em todas as amostras, quando comparados sem solução salina. Ainda, na presença da solução salina, o material que passa a ter maior resistência ao desgaste é a grade 5, mantendo-se o restante comportamento. A observação em MEV permitiu a análise da oxidação/corrosão das amostras em cada ensaio, assim como as zonas de stick-slip. Em suma, conclui-se que o comportamento de desgaste das ligas de titânio é superior à da liga de crómio-cobalto quando testados contra esferas de alumina.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra As condições ambiente da cavidade oral são bastante complexas. Os materiais de restauração dentária são sujeitos a ataques mecânicos, químicos e térmicos, e, de maneira a resistirem a estas solicitações, têm que possuir boas propriedades mecânicas e alta resistência ao desgaste. A caracterização de um material de restauração dentária é um processo complexo, especialmente o estudo do desgaste, e, como os testes in vivo são caros, envolvem grandes períodos temporais e os resultados variam muito, a alternativa comum é recorrer a ensaios in vitro. O objetivo desta dissertação foi caracterizar o efeito da termociclagem, que tem como função simular os ciclos térmicos a que os materiais de restauração estão sujeitos na boca, nas propriedades mecânicas e tribológicas de dois compósitos. The environmental conditions of the oral cavity are quite complex. Restorative dental materials are subjected to mechanical, chemical and thermal attacks, and, to withstand these demands, they must possess good mechanical properties and high wear resistance. The characterization of a dental restorative material is a complex process, especially the study of wear, and, as in vivo studies are expensive, time consuming and the results vary widely, the common alternative is to use in vitro testing. The purpose of this dissertation is to characterize the effect of thermocycling, which is used to simulate the thermal cycles to which dental restorative materials are subjected to in the mouth, on the mechanical and tribological properties of two indirect dental restoration composites, currently in the market.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. O objectivo deste trabalho é caracterizar o comportamento mecânico de interfaces de próteses transfemurais e transtibiais, assim como a interacção entre a pele e superfícies texturizadas. No âmbito desta dissertação, foram estudados três tipos materiais aplicados em interfaces de próteses, sujeitos a três períodos de envelhecimento. O envelhecimento químico destes materiais foi realizado embebendo as amostras em suor artificial. Este processo de envelhecimento permitiu caracterizar o comportamento dos materiais ao longo do tempo e após compressão estática e dinâmica. Os resultados estáticos revelam que, as interfaces em estudo, apresentam um comportamento característico de materiais viscoelásticos, uma primeira fase linear e uma segunda fase da curva não linear. Através das curvas tensão-deformação obtidas nos ensaios e análise dos resultados, foram desenvolvidos modelos teóricos que permitem simular o comportamento destes materiais quando solicitados em compressão. Os dados recolhidos no ensaio dinâmico foram abordados inicialmente através do modelo Kelvin-Voigt, sendo posteriormente verificado que o comportamento do amortecedor apenas era visível durante o carregamento do material. Como tal, foi desenvolvido um modelo reológico que representava esse comportamento. Os ensaios de atrito realizados na pele do antebraço demonstraram que a presença de depressões e saliências diminuía significativamente o coeficiente de atrito, quando comparadas com a superfície lisa. Os resultados da interacção entre a pele do antebraço e as texturas das superfícies no ensaio de aderência revelam que, quanto maior a área de contacto entre a pele e o material, maior é a força adesiva. Esta diminui para a superfície com depressões e é inexistente na superfície com saliências devido à diminuição drástica da área de contacto. The purpose of this study is to characterize the mechanical behavior of transtibial and transfemoral prosthetic liners, as well as the interaction between the skin and texturized surfaces. Within this dissertation, three different materials applied in prosthetic liners, subject to three periods of aging, were studied. The chemical aging of these materials was carried out by soaking the samples in artificial sweat. This aging process allowed the characterization of the behavior of these materials over time and after static and dynamic compression. The static results show that, the liners under study, present typical behavior of viscoelastic materials, a first linear phase and a second stage of the curve non-linear. Through stress-strain curves obtained in the test and by the results analysis, theoretical models have been developed to simulate the behavior of these materials during a compression request. The collected data for the dynamic tests were initially approached through Kelvin- Voigt model and was subsequently verified that the damper behavior was only visible during the loading of the material. As such, a rheological model representing this behavior was developed. The friction tests performed on the forearm skin showed that the presence of depressions and projections decrease significantly the friction coefficient, when compared to the smooth surface. The results from the interaction between the forearm skin and the surfaces textures in the adhesion tests show that the larger the contact area between the skin and the material, the greater the adhesive force. That drops to the surface with depressions and is nonexistent in the projections surface due to the drastic decrease of the contact area.

Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica na Especialidade de Energia e Ambiente, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. O presente trabalho foi realizado durante um estágio profissional em engenharia de manutenção nas instalações fabris da empresa Celtejo SA. Esta empresa tem como objetivo principal a produção de pasta de papel. O trabalho tem por base a análise de vibrações e o seu enquadramento na manutenção. Numa primeira fase, procurou-se entender o comportamento do mecanismo de produção de energia, constituído por uma turbina a vapor AEG, um redutor e um alternador. O alternador apresentava vibrações anormais, numa das direções (axial). Deste modo, procurou-se efetuar uma equilibragem do alternador numa tentativa de baixar as vibrações e assim tentar descobrir a origem das mesmas. Numa segunda fase, tentou-se compreender o sistema de monitorização do conjunto e efetuar uma proposta para um novo sistema, de modo a ser mais fácil detetar possíveis falhas futuras. Abstract The main objective of this document is to show the work developed in internship in maintenance engineering in the company's manufacturing facilities Celtejo SA. This company has as main goal, the production of pulp paper. The work is based on vibration analysis framework and its maintenance. Initially, we tried to understand the behaviour of the mechanism of energy production, comprising a steam turbine AEG, a gear unit and an alternator. The alternator had abnormal vibrations in one direction (axial). We tried to perform a balancing of the alternator in an attempt to lower the vibrations and try to find out the origin. A second step, we attempted to understand the whole monitoring system and make a proposal for a new system, to be easier to detect possible future failures.

Tese de doutoramento em Engenharia Mecânica, na especialidade de Construção Mecânica Materials dent´arios de restauro directo possuem caracter´ısticas muito especiais. Estes materiais operam num ambiente singular que ´e a boca. Os factores em jogo s˜ao diversos e a sua gama de varia¸c˜ao elevada, destes destacam-se; humidade, ciclos de carga, temperatura, bact´erias, agentes externos, meio ambiente, propriedades dos materiais, geometria de contacto, etc., s˜ao alguns exemplos. Os dentes e os materiais de restauro est˜ao, portanto, sujeitos a v´arios e numerosos factores. Durante as ´ultimas d´ecadas cl´ınicos e pacientes tˆem desenvolvido grande interesse pelas resinas para restauro de dentes posteriores. As exigˆencias por restauros com uma aparˆencia natural na regi˜ao posterior da boca al´em das controv´ersias relativamente `a amalgama e `a ac¸c˜ao do merc´urio, apesar das suas excelentes propriedades mecˆanicas, tem atra´ıdo a aten¸c˜ao dos investigadores na melhoria destes comp´ositos para a aplica¸c˜ao em dentes posteriores. Estas resinas comp´ositas tˆem sido certamente dos mais bem sucedidos materiais em aplica¸c˜oes dent´arias cumprindo requisitos rigorosos e dif´ıceis de alcan¸car com materiais homog´eneos tais como materiais cerˆamicos e ligas met´alicas. Quando a inten¸c˜ao ´e a repara¸c˜ao de cavidades tornase necess´ario combinar esteticamente a cor com a translucidez dos outros dentes e ao mesmo tempo mater o brilho. O material de restauro deve possuir a dureza do dente oposto e ser resistente ao desgaste ou `a fractura por fadiga. Deve, tamb´em,ser dimensionalmente est´avel e resistir `as tens˜oes, em grande parte devido `as varia¸c˜oes t´ermicas existentes na boca. As resinas “compact´aveis” foram denominadas por alternativas `a amalgama para o restauro de posteriores. Os crit´erios de selec¸c˜ao de comp´ositos bem como as poucas normas existentes n˜ao permitem estabelecer consenso relativamente a quais os testes a usar para determina¸c˜ao das propriedades ou para compara¸c˜ao de desepenho dos comp´ositos. A determina¸c˜ao das propriedades mecˆanicas e tribol´ogicas de materiais de restauro directo s˜ao cruciais verificar a semelhan¸ca destes materiais com o esmalte e a dentina, mas tamb´em para comparar comp´ositos entre si e determinar crit´erios objectivos para a sua correcta selec¸c˜ao. Este trabalhado ´e centrado na caracteriza¸c˜ao mecˆanica e tribol´ogica de materiais comerciais para restauro posterior. Devido `as caracter´ısticas, estes materiais n˜ao podem ser alterados (frac¸c˜ao em volume das part´ıculas, dimens˜ao da part´ıculas e composi¸c˜ao da matriz s˜ao parˆametros fixos) o que limitou os objectivos iniciais do estudo. Atrav´es da introdu¸c˜ao de um material comp´ositos produzido em laborat´oio este permitiu a varia¸c˜ao dos seus constituintes, sendo o trabalho complementado. A avalia¸c˜ao das propriedades mecˆanicas foi efectuada com a ajuda dos seguintes testes: dureza Vickers, teste dinˆamico do m´odulo de elasticidade e flex˜ao em quatro pontos. As propriedades mecˆanicas avaliadas foram: dureza, m´odulo de elasticidade (dinˆamico e est´atico), resistˆencia `a flex˜ao e trabalho de fractura. Para a determinar o comportamento tribol´ogico dos comp´ositos foi usado um teste de desgaste alternativo. O volume de desgaste do comp´osito e do antagonista (dente humano ou esfera de vidro) e os mecanismos envolvidos foram avaliados. Foram usadas abordagens; cl´assica e energ ´etica para perceber o comportamento dos comp´ositos e seus antagonistas. O uso da esfera de vidro como material antagonista foi submetido a valida¸c˜ao, sendo comparado com o desempenho do dente humano. Embora os volumes de desgaste sejam diferentes ´e poss´ıvel extrapolar os resultados dando aproxima¸c˜oes similares e aceit´aveis. Oito materiais comerciais de restauro directo foram ensaiados contra esferas de vidro por forma a determinar a sua resistˆencia ao desgaste e os diversos mecanismos envolvidos: abras˜ao e desgaste. A avalia¸c˜ao da influˆencia do meio ambiente nestes testes permitiu entender o comportamento dos comp´ositos em contacto de deslizamento alternativos atrav´es da medi¸c˜ao dos volumes de desgaste e coeficientes de atrito dos pares de materiais em contacto e analisar os mecanismos de desgaste envolvidos no processo. Nesta an´alise alguns pares de materiais mostraram alguma discrepˆancia em rela¸c˜ao ao desgaste e ao coeficiente de atrito, um estudo complementar foi efectuado para trˆes desses comp´ositos. Testes de “load-scanning” foram usados para perceber e explicar o regime de transi¸c˜ao destes materiais. Este teste permitiu perceber os mecanismos de desgaste/fractura provocados por diferentes valores de coeficiente de atrito. A influˆencia de factores externos no comportamento mecˆanico dos materiais comp´ositos tamb´em foi avaliada. Dois tipos de ambiente, nos testes de deslizamento alternativo foram introduzidos; saliva artificial/´agua destilada e solu¸c˜ao abrasiva. Os outros parˆametros externos introduzidos no estudo forma o efeito do; envelhecimento e pH. Dois lotes destes sete materiais comp´ositos foram envelhecidos em solu¸c˜oes de pH 3, 7 e 9, durante: 3, 6 e 22 meses. A avalia¸c˜ao tribol´ogica e mecˆanica destes comp´ositos foi realizada ap´os cada per´ıodo de envelhecimento. Do ponto de vista de aplica¸c˜ao foi poss´ıvel tirar conclus˜oes relativamente ao comportamento dos comp´ositos comerciais no que diz respeito ao desempenho mecˆanico e tribol´ogico. O efeito dos factores externos sobre o comportamento deste materiais comerciais foi avaliada sendo quantificada a varia¸c˜ao nas propriedades. Devido `a natureza da avalia¸c˜ao parameterizada dos comp´ositos produzidos o estudo trouxe progressos com conclus˜oes claras relativamente `a influˆencia da: frac¸c˜ao em volume de part´ıculas, dimens˜ao das part´ıculas de enchimento e matriz nas propriedades mecˆanicas e tribol´ogicas dos comp´ositos com material de enchimento. O comportamento tribol´ogico foi avaliado e os mecanismos de remo¸c˜ao envolvidos no processo de desgaste discutidos tendo em conta as observa¸c˜oes sistm´aticas dos modos de falha. Direct restorative dental materials possess very special characteristics. These materials operate in a singular environment that is the mouth. The factors at play are numerous and their variation range is important. Humidity, load cycles, pH, temperature, bacteria, external agents, environment, material properties and contact geometry, etc., are some examples. Teeth and restorative materials are, therefore subjected to complex and numerous factors. During the past decade clinicians and patients have developed an interest in to posterior composite resins. The demand for restorations with a natural appearance in the posterior region and the controversy as to the mercury action of amalgam, although it’s excellent mechanical properties, has attracted researchers to focus on the improvement of the resin composites to be applied in posterior teeth. Resin composites have been by far the most successful in dental applications by meeting several stringent design requirements difficult to achieve with homogeneous materials such as ceramics and metal alloys. When the intention is to repair cavities, the product needs to be aesthetically matched in color and translucence with other teeth and retain its gloss. It must match the hardness of the opposing tooth and be resistant to wear or fatigue fracture. It must be dimensionally stable and withstand the largely varying thermal stresses in the mouth. “Packable” composites have been termed as alternative to amalgam, for usage in posterior restoration. Criteria to select a composite in detriment of another are very complex and the few existent standards do not allow for establishing a consensus as to which tests must be used to determine and compare composites properties. Mechanical and tribological properties of direct restorative filling materials are crucial not only to serve and allow similarity with human enamel and dentine but also to compare composites between them and determine objective criteria for their selection. This work is focused on the mechanical and tribological characterization of posterior direct commercial restorative materials. Due to their characteristics, commercial composites are materials which can not be altered (filler volume fraction, average particle dimension and matrix composition are pre-fixed parameters), thus limiting the objectives of the initial study. With the introduction of the production of a composite material which allowed variation of its constituents, the initial work was complemented. The mechanical properties assessment was done with the following tests: Vickers hardness, Impulse excitation of vibration and four point bending tests. The mechanical properties assessed were: hardness, elastic modulus (static and dynamic), flexural resistance and work-of-fracture. To determine the tribological behavior of composites reciprocating sliding tests was used. Wear and the mechanisms involved were evaluated on the composites as well as on the antagonist (human teeth and glass spheres). A classical and an energetic approach were used to understand the behavior of the composites and their antagonists. The use of glass sphere as antagonist material was subjected to validation, by comparison to the material pair composite natural tooth. Although difference in wear volumes of the distinct pairs does exist, extrapolation of results is possible with similar and acceptable results. Eight direct restorative commercial composites were tested against glass spheres, to determine wear resistance under different wear mechanisms: abrasion and attrition. The evaluation of environment influence in these tests allows us to understand composites behavior under reciprocating contact through the measuring of wear volumes and coefficients of friction of the contact pair and analyzing the removal mechanisms involved in the wear process. In this analysis, some composite-glass pair some materials showed some discrepancy regarding wear and the coefficient of friction, thus a complementary study involving, only, three commercial composite was done. A load-scanning test was used to understand and explain the wear regime transition of these. This test permitted the perception of the wear/fracture mechanisms induced by the different values of coefficient of friction. The influence of external factors on the mechanical behavior of composites was also evaluated. Two types of environment in the reciprocating wear tests were introduced: artificial saliva/distillate water and abrasive slurry. The other external parameters introduced in the study were aging time and pH. Two batches of seven commercial composites were aged in 3, 7 and 9 pH buffer solutions during three periods 3, 6 and 22 months. The tribological and mechanical evaluation of these composites was done after each aging period. Generally and from the point of view of application, it was possible to draw conclusions relatively to commercial composite mechanical and tribological behavior. The effect of external factors on the behavior of these commercial materials was also evaluated and the properties variation quantified. Due to the nature of the study, parameterized evaluation, of produced composites brought further progress, with clear conclusions as to volume content, filler dimension, matrix on the mechanical and tribological properties studied. The tribological behavior was evaluated and removal mechanisms enclosed in the wear process are discussed, taking into account the systematic SEMobservations to evaluate the failure modes.

Dissertação de Mestrado em Engenharia ,ecânica (Energia e Ambiente) apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra Esta Tese de Mestrado tem como principais objectivos prever as tensões residuais de origem térmica e relacionar este tipo de tensões com a vida à fadiga das peças onde estas estejam presentes. Como tal, procedeu-se a um ensaio experimental onde duas peças (uma de alumínio e outra de aço), concentricamente dispostas, com uma diferença de diâmetros mínima, foram aquecidas desde a temperatura ambiente até 450ºC. Esta temperatura apenas faz variar as propriedades mecânicas e térmicas não se esperando, no entanto, alteração de fase em qualquer uma das peças. Durante o ciclo térmico, a dilatação da amostra de alumínio foi constrangida pelo aço, no qual este está concêntrico. Este constrangimento é devido, como será analisado mais adiante, ao inferior valor do coeficiente de dilatação térmica do aço, relativamente ao alumínio. Finalizado o ciclo térmico, procedeu-se à medição das tensões residuais provocadas no alumínio pelo aquecimento e pelo constrangimento do aço. Para a medição das tensões residuais recorreu-se à técnica do furo incremental que, apesar de ser uma técnica em parte destrutiva, é das mais utilizadas para o efeito. Paralelamente a este processo experimental foi também desenvolvido um modelo numérico, recorrendo ao software Marc-Mentat 2010, desenvolvido pela MSC Software, ferramenta que recorre ao método dos elementos finitos. Este processo passou por várias fases: o desenho da geometria e malha das peças usadas no ensaio experimental, estabelecimento das condições iniciais e condições de fronteira, assim como das propriedades mecânicas e térmicas dos materiais em questão. Posteriormente, por processo iterativo, obtiveram-se as tensões residuais resultantes da simulação numérica. Concluídos os processos numérico e experimental procedeu-se a uma análise da sensibilidade relativa às propriedades térmicas e mecânicas das peças. Afinados ambos os processos, de forma coerente, foi feita a comparação dos resultados. Por fim, quantificadas as tensões residuais de origem térmica, estudou-se a influência que estas têm na vida das peças à fadiga. Este estudo foi efectuado com o auxílio do programa de simulação Cosmos 2.0 e a algoritmo previamente desenvolvido pelo Prof. Ricardo Branco. Abstract This work has as main objectives to foresee the residual stresses of thermal origin, as well as to connect these types of stresses to fatigue lives of the parts where these are present. As such, an experimental test went along, in which two parts (an aluminum one and a steel one) were concentrically placed, with a minimum difference of diameters, and both were warmed up starting at the environmental temperature till 450ºC. This temperature only varies the thermal and mechanical features, and is not expected to produce phase changes. It should also be noticed that, during the thermal cycle, the dilatation of the sample of aluminum was constrained by the steel, in which this is concentric. This constraint is due, as referred ahead, to the inferior dilatation of the steel, compared to the aluminum. Once the thermal cycle was finished, the residual tensions were measured using the hole incremental technique. This is in a certain way a destructive technique, but it is widely used to this effect. At the same time of this experimental process it was also developed a numeric model, using the software Marc-Mentat 2010, developed by MSC Software, a tool that uses the method of finite elements. This process went through several phases, namely the geometry design and meshing of the tools used along the experiment, the establishment of initial and boundary conditions, as well as the mechanical and thermal features of the materials referred. Afterwards, by an iterative process, the residual tensions were obtained, as a result of the numeric simulation. Completed the numeric and experimental processes, an analysis of the sensibility concerning the thermal and mechanical features went through. Tuned both processes, in a consistent way, the comparison of both results was made. Lastly, after being quantified the residual tensions of thermal origin, the influence that they have in the life of the parts facing hardship was studied. This study was made with the help of the simulation program Cosmos 2.0 and the algorithm previously developed by Prof. Ricardo Branco.