Orientador: Prof. Dr. Régis Henrique Gonçalves e Silva
Coorientador: Prof. Dr. Mateus Barancelli Schwedersky
RESUMO
Em termos de produção de revestimentos metálicos, o Plasma de Arco Transferido Alimentado com Pó (PTA-P) representa uma das alternativas mais apropriadas dentre os processos de soldagem a arco, além de figurar como importante ferramenta em pesquisas metalúrgicas. Entretanto, suas funções científicas, associadas a prospecções para aplicabilidade em operações de soldagem mais avançadas, como manufatura aditiva e fabricação de estruturas compósitas, acabam impondo sérios desafios tecnológicos. Nesta conjuntura, muitas adversidades estão relacionadas ao dispositivo alimentador de pó (ADP), já que tais aplicações costumam envolver materiais não padronizados, ou exigir alta performance na adição dos consumíveis. Adicionalmente, deve ser considerado que os sistemas de alimentação de pó, para PTA-P, carecem de recursos de medição apropriados. Neste sentido, além de favorecer monitoramento de procedimentos e controle de dispositivos de soldagem, um sensor pode viabilizar comunicação com sistemas ciber-físicos, informando dados de adição de material a redes de gerenciamento na indústria 4.0. Sob outro aspecto, a escassez de atuadores capazes de proporcionar controle dinâmico do fluxo de alimentação, também é notória. Semelhantes recursos, além de possibilitar melhorias na eficiência do consumo de pó por parte do PTA-P, podem propiciar ampliação de estratégias processuais, convenientes à confecção de estruturas compósitas. Em virtude das privações tecnológicas mencionadas e seus respectivos benefícios, a presente tese de doutorado contribuiu com desenvolvimento, análise e caracterização de novos dispositivos. Um deles consiste em um sensor inédito de fluxo de pó, baseado no princípio dos medidores centrífugos de sólidos particulados. Outro novo recurso corresponde a uma válvula de controle dinâmico de alimentação, baseada em mecanismo motorizado para desvio proporcional de fluxo de pó. Complementarmente, o presente trabalho realizou análises comparativas de performance operacional, entre o tradicional ADP de Tambor e o novo ADP de Esteira. No tocante ao Sensor de Fluxo de pó, mostrou compatibilidade com o sistema de soldagem PTA-P, além de capacidade para medir taxa de alimentação online ao processo, exibindo boa repetibilidade ao longo de faixa operacional conveniente. Embora lenta para controle de dispositivos, a dinâmica do sinal ainda favoreceu monitoramento do consumo de pó, exibindo caráter promissor à comunicação com sistemas industriais inteligentes. Ademais, demonstrou níveis desprezíveis de influências referentes a condições de instalação e outros parâmetros de processo. Já no que diz respeito aos ADP’s, ambos refletiram dependência de recursos especiais de acionamento, além de apresentarem flutuações na taxa de alimentação, causadas por imperfeições de seus mecanismos. Tais efeitos podem prejudicar o desempenho do PTA-P em operações mais avançadas, como manufatura aditiva. Ainda assim, o ADP de Tambor forneceu alimentação de melhor qualidade operando com pós padrão PTA-P. Por outro lado, o ADP de Esteira pode manipular número mais amplo de consumíveis, tolerando problemas relacionados à forma, tamanho e propriedades magnéticas das partículas. Por fim, no que concerne à Válvula de Controle Dinâmico, forneceu desvio proporcional de fluxo de partículas em caráter não linear, além de se mostrar apta a operar em faixa de frequência adequada ao PTA-P. Embora capaz de colaborar para aumento da eficiência de consumo de pó por parte do processo, suas vias apresentaram vazamentos, inibindo sua aplicabilidade em estratégias processuais favoráveis à fabricação de estruturas e revestimentos compósitos.
Palavras-chave: Alimentador de Pó. Sensor de Fluxo. Válvula de Controle Dinâmico.
ABSTRACT
In terms of metallic coatings production, Plasma Transferred Arc with Powder (PTA-P) is one of most appropriate alternatives among arc welding processes, further on to being an important tool in metallurgical researches. However, its scientific functions, associated with prospecting for applicability in advanced welding operations, such as additive manufacturing and manufacturing of composite structures, end up imposing serious technological challenges. In this context, many adversities are related to the powder feeder device (ADP), since such applications trend to involve non-standard materials, or require high performance in consumables addition. In addition, it must be considered that PTA-P powder feeding systems, needs appropriate measurement resources. In this way, further on promoting procedures monitoring and welding devices control, a sensor can allows communication with cyber-physical systems, informing material addition data to management networks in industry 4.0. In another look, the shortage of actuators capable to provides dynamic control of feeding flow is also notorious. Similar resources, further on to enabling improvements in powder consumption efficiency by PTA-P, can provide expansion of procedural strategies, suitable for composite structures manufacturing. Due to mentioned technological deprivations and their respective benefits, the present doctoral thesis contributed to new devices development, analysis and characterization. One of them consists on an inedited powder flow sensor, based on bulk solids centrifugal meters principle. Another new resource is a dynamic feed control valve, based on a motorized mechanism for powder flow proportional deviation. Complementary, the present work carried out comparative analysis of operational performance, between traditional Tambor ADP and new Belt Conveyor ADP. Regarding the Powder Flow Sensor, it showed compatibility with PTA-P welding system, in addition to capability to measure feed rates online to the process, showing good repeatability over a convenient operational range. Although too slow to devices control, the signal dynamics still befriend powder consumption monitoring, showing promising properties for communication with intelligent industrial systems. Furthermore, it demonstrated negligible levels of influences regarding installation conditions and other process parameters. As for the ADP's, both reflected dependence on special driving resources, further on fluctuations in feed rate, caused by imperfections in their mechanisms. Such effects can impair the PTA-P performance in advanced operations, like additive manufacturing. Even so, the Tambor ADP provided better feed quality operating with standard PTA-P powders. On the other hand, the Belt ADP can handle a larger number of consumables, tolerating problems related to the shape, size and magnetic properties of the particles. Finally, with regard to Dynamic Control Valve, it provided particle flow proportional deviation with non-linear character, in addition to being able to operate in appropriate frequency range to the PTA-P. Although able to collaborate to the increase powder consumption efficiency by the process, its internal ways showed leaks, inhibiting its applicability in process strategies favorable to structures and composite coatings manufacturing.
Keywords: Powder Feeder. Flow Sensor. Dynamic Control Valve.
REFERÊNCIA
ALVES, Jônathas Alexandre. Sistema de Alimentação de Consumíveis em Pó: Desenvolvimento de Dosador e Sensor para Vazão Mássica. 2021. 207 p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2021.