Desenvolvimento de metodologia para escalonamento tecnológico aplicada a um material compósito sinterizado auto-lubrificante

Abstract

Projetos para o desenvolvimento de materiais geralmente levam décadas entre o início da pesquisa até a homologação em produto fabricado em larga escala, sendo um dos principais motivos a inexistência de uma metodologia para estabelecer a transferência tecnológica entre a fase final de laboratório e o lote piloto. Isto se verificou na linha de pesquisa ?Lubrificação Sólida?, do LabMat da UFSC, que visa criar materiais de baixo atrito e desgaste, fatores responsáveis pelo desperdício de cerca de 1,4% do PIB mundial. Assim, um dos principais desafios desta pesquisa foi entender o que causam as diferentes propriedades finais encontradas no material comparando as escalas laboratorial e industrial, e propor uma metodologia para o escalonamento tecnológico. Especificamente, este trabalho explorou as diferenças nos sistemas termodinâmicos na sinterização causados pelos parâmetros: temperatura de patamar, natureza química dos gases e fluxos total de gás na atmosfera sinterização. Com o apoio da ferramenta de desenvolvimento de produtos design for six sigma (DFSS), foi proposta e experimentada uma metodologia que permitiu coletar os requisitos técnicos mais importantes para um novo material sinterizado auto-lubrificante, garantindo um foco nas propriedades imprescindíveis, bem como possibilitando entender por meio de correlação as principais diferenças em função do efeito escala. Para a comparação das sinterizações em escala laboratorial e industrial, foram executadas caracterizações mecânicas e tribológicas, que apontaram valores de resistência ao escoamento sempre superiores a 100MPa, conforme premissa estabelecida durante a fase de coleta de requisitos, atingindo o pico em 216,37MPa quando dos experimentos finais, com parâmetros otimizados a nível de laboratório. Resultados de tribologia apontaram que o material tem elevada durabilidade e baixa taxa de desgaste, tanto quando sinterizado em laboratório quanto em escala industrial, alcançando valores de durabilidade de até 52.902N.m, e taxa de desgaste sempre na ordem de grandeza de 10-6mm3/N.m, e que aponta que o material desenvolvido pela metodologia ranqueia entre as melhores soluções tribológicas confrontando-se com soluções industriais da atualidade. O escalonamento do ciclo de sinterização pode ser planejado por meio de uma matriz de otimização de parâmetros, correlacionando as escalas laboratorial e industrial, de modo a elevar a assertividade e mitigar os custos de desenvolvimento. Finalmente, tal metodologia pode ser aplicada para o escalonamento de outros tipos de materiais de engenharia.

Abstract: Engineering materials projects development usually take decades from the research beginning to the definitive delivery for industrial production, being one of the main reasons exactly the lack of an adequate methodology to stablish the technologic transfer between the final laboratory step and the industrial batch step. This fact was verified in the line of research ?Solid Lubrication?, by LabMat form UFSC, whichin the goal is to create materials in order to mitigate losses at the expense of tribological factors, as it is known that losses are responsible for the waste about 1.4% of world GDP, due to insufficient lubrication. One of the main challenges for this research is to understand what causes the different processing conditions found by comparing laboratorial and industrial scales. Specifically, this work explored the thermodynamic systems in the sintering stage, focusing on the parameters: thermal cycle curve, chemical nature of gases and gas flow. With the support of the design for six sigma (DFSS) product development tool, a methodology was proposed and tried, allowing to collect the most important technical requirements for a self-lubricating sintered material, guaranteeing a focus on the essential properties, as well as allowing to understand through correlation the main differences due to the scale effect. For the comparison of laboratory-scale sintering with the industrial scale, mechanical and tribological characterizations were performed, which showed yield resistance values always above 100MPa, according to the premise established during the collection of requirements, reaching the peak in 216.37MPa during the final experiments, with parameters optimized at the laboratory level. Tribology results showed that the material has high durability and low wear rate, both when sintered in the laboratory and on industrial scale, reaching durability values of up to 52.902N.m, and wear rate always in the order of magnitude of 10-6mm3/N.m, pointing out that such material ranks among the best tribological solutions in comparison with current industrial solutions. Also, it was found that the scheduling of the sintering cycle can be planned through a parameter optimization matrix, correlating the laboratory and industrial scales involved, in order to increase assertiveness and mitigate project costs. Finally, the methodology proposed here can be applied to scale other types of engineering materials.