Utilização do processo de moldagem por injeção de pós metálicos nanométricos (MIM) para o desenvolvimento de rotor e estator em servomotor aplicado à área médica

Abstract

O presente trabalho tem como objetivo geral a obtenção de rotores e estatores de mini-motor de passo, ambos aplicados na área médica, pelo processo de metalurgia do pó. A pesquisa é desenvolvida e dividida em quatro fases. Na Fase 1, as propriedades físicas, mecânicas, elétricas e magnéticas do ferro puro e com adição de 1, 2, 3% de silício, obtidos por metalurgia do pó convencional, foram estudadas a partir da observação da morfologia das partículas por microscopia eletrônica e granulometria a laser. Ainda, foram realizadas a compactação e sinterização do ferro puro (9 μm) e ferro com adições de percentuais de silício e avaliadas as densidades. Realizaram-se ensaios de dureza e microdureza para determinação das propriedades mecânicas, traçaram-se as curvas de histerese e mediram-se a resistividade das amostras. A Fase 2 destinou-se a determinar o polímero estrutural e o melhor lubrificante a serem utilizados no processo de injeção. Realizaram-se reologia e DSC/TGA dos seguintes polímeros: polipropileno, polietileno de baixa densidade linear, polimetil-metacrilato e etileno-acetato de vinila. Foi definido o Polietileno de baixa densidade linear como polímero estrutural e, parafina e cera de carnaúba como lubrificantes mais adequados ao processo. Ainda, injetou-se pó de ferro puro e pó de ferro com 3% de silício micrométrico e as propriedades físicas, mecânicas, magnéticas e elétricas foram quantificadas. Na Fase 3 o pó de ferro foi moído por 53 horas em um moinho de alta energia obtendo partículas menores que 100 nanômetros. Avaliou-se o efeito da adição de pó nanométrico sobre o pó de ferro micrométrico através da análise de porosidade e de tamanho de grão, observados por metalografia e pelos resultados de microdureza. Com o pó de ferro 100% nanométrico determinou-se a curva de compressibilidade a partir de análises conjuntas de metalografia e microdureza. Produziu-se, ainda, carga injetável com o pó nanométrico. Injetaram-se corpos de prova e foram realizadas extrações químicas e térmicas, e sinterização. Posteriormente, caracterizou-se a densidade a verde, densidade marrom, densidade do sinterizado e contração volumétrica geral. Na Fase 4 foi realizado o modelamento do mini-servomotor em CAD 3D (SolidWorks®) e simulado com o programa FEMM® 4.2, onde oito geometrias de rotores foram analisadas. O processo de injeção foi simulado com carga injetável caracterizada através da base de dados do “Plastic Simulation®”. Injetou-se o rotor e estator com pó de ferro micrométrico e também o estator com pó 25% nanométrico e pó 100% nanométrico. Mensurou-se a densidade a verde dos componentes microservomotor com pó micrométrico, marrom, contração volumétrica geral com média de 46%, sendo que a densidade dos sinterizados ficou com a média de 7,10 g/cm³ e foi caracterizada por metalografia. As contrações volumétricas gerais entre as peças injetadas e sinterizadas foram de 54,1%. O mini-servomotor com pó 100% micrométrico tem microdureza média de 102 HV, diminuindo com a adição de 25 % de pó nanométrico para o valor médio de 83 HV, e o pó 100% nanométrico aumentou significativamente a microdureza média para 152,5 HV. Este trabalho mostrou que é possível fabricar rotores e estatores de minimotores de passo por moldagem de pós por injeção de ferro puro e ligas de ferro-silício.

This work has as main objective the achievement of stators and rotors of mini-step motors, both applied in the medical field by powder metallurgy process. The research is developed and divided into four phases. In Phase 1 the physical, mechanical, electrical and magnetic properties of pure iron and with the addition of 1, 2, 3% silicon, obtained by conventional metallurgy powder were studied from the observation of particle morphology by electron microscopy and laser particle size analysis. Thus, there were pure iron compaction and sintering (9 μm) and iron with percentage additions of silicon and evaluated the density. Were carried out microhardness and hardness test to determine the mechanical properties were traced hysteresis curves and were measured resistivity of the samples. Phase 2 is designed to determine the structural polymer and the best lubricant to be used in the injection process. Were carried out rheology and DSC / TGA of the following polymers: Polypropylene, Linear low density polyethylene, Polymethyl methacrylate and Ethylene-vinyl acetate. The defined Linear low density polyethylene as a structural polymer, and paraffin wax, and carnauba wax as the most suitable process lubricants. Still, he injected pure iron powder and micrometer sized iron 3% silicon and the physical, mechanical, magnetic and electrical properties were quantified. In Phase 3 the iron powder was milled for 53 hours in a high energy mill obtain particles smaller than 100 nanometers. We evaluated the effect of adding nano powder of the micrometer sized iron powder by analyzing the porosity and grain size observed by metallography and microhardness results. With the 100 % nanometer of iron powder was determined as compressibility curve of joint analysis of metallography and microhardness. Produced was also binder with nanometer powder, inject up specimens and were carried out chemical extraction, thermal and sintering subsequently, was marked green density, brown density, sintered density and general volumetric shrinkage. In Phase 4 was carried the modeling of the mini-step motors out in CAD 3D (SolidWorks) and simulated with the FEMM ® 4.2 software, where eight geometries rotors are analyzed. The injection process was simulated with binder via characterized by Plastic Simulation database. The rotor and stator micrometer sized iron powder was injected, also, powder of 25% nanosized powder and 100% nanometer. It measured the density green of mini-step motors components with micrometer powder, brown, general volumetric shrinkage averaging 46%, and the density of sintered got an average of 7.10 g/cm³ and was characterized by metallography. The general volumetric shrinkage between the injected and sintered parts was 54.1%. The mini-step motors with 100% micrometric powder has average hardness of 102 HV, decreasing with the addition of 25% nanosized powder to the average value of 83 HV, and 100% nano powder increased significantly, the average hardness for 152.5 HV.