Patrick Loureno Incio

Licenciado em Cincias da Engenharia Mecnica

Inspeco de Componentes Microfabricados

com Clulas Bacterianas: Simulao,

Instrumentao e Validao Experimental

Dissertao para obteno do Grau de Mestre em

Engenharia Mecnica

Orientador: Doutor Telmo Jorge Gomes dos Santos, Professor

Auxiliar da Faculdade de Cincias e Tecnologia da

Universidade Nova de Lisboa.

Jri:

Presidente: Prof. Doutor Jorge Joaquim Pamies Teixeira

Arguente: Prof. Doutora Maria Lusa Coutinho Gomes de Almeida

Vogais: Prof. Doutora Rosa Maria Mendes Miranda

Prof. Doutor Telmo Jorge Gomes dos Santos

Maro 2014

2

iii

Inspeco de componentes microfabricados com clulas bacterianas: simulao, instrumentao

e validao experimental.

Copyright 2014 Patrick Loureno Incio.

Faculdade Cincias e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa.

A Faculdade de Cincias e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa tm o direito, perptuo

e sem limites geogrficos, de arquivar e publicar esta dissertao atravs de exemplares

impressos reproduzidos em papel ou de forma digital, ou por qualquer outro meio conhecido ou

que venha a ser inventado, e de a divulgar atravs de repositrios cientficos e de admitir a sua

cpia e distribuio com objectivos educacionais ou de investigao, no comerciais, desde que

seja dado crdito ao autor e editor.

iv

v

Agradecimentos

Quero agradecer ao meu orientador, professor Telmo Santos, pela energia e entusiasmo que

dedicou realizao deste projecto, pela abertura ao debate de ideias que foram para alm dos

objectivos da presente tese e ainda pelos conselhos para a minha futura vida profissional

Doutora Carla Carvalho, que disponibilizou as bactrias e as instalaes do seu laboratrio

no Instituto Superior Tcnico de Lisboa, permitindo o desenvolvimento da nova tcnica END.

Aos professores e aos tcnicos do ncleo de Tecnologia Mecnica, do Departamento de

Engenharia Mecnica e Industrial da FCT que sempre demonstraram disponibilidade e apoio

durante toda tese de mestrado.

Aos colegas de curso que acompanharam-me neste percurso acadmico, bem como aos

colegas do laboratrio de Tecnologia Mecnica que demonstraram grande esprito de amizade e

muita entreajuda.

Aos amigos de sempre, que me acompanham desde cedo, agradeo a sua amizade e

confiana demonstrada ao longo destes ltimos anos.

minha famlia, principalmente aos meus pais e irm, que apesar de distantes no deixaram-

me de apoiar, tendo sempre uma palavra encorajadora nos momentos de maior desnimo. Sem

eles no seria possvel chegar a este ponto.

Marta, que nestes ltimos anos me apoiou, confiou e encorajou, o meu sincero obrigado.

Desejo agradecer tambm s seguintes entidades:

Ao Instituto de Biotecnologia e Bioengenharia (IBB) do Instituto Superior Tcnico (IST) por

possibilitar o uso das suas instalaes e equipamentos necessrios realizao deste projecto.

Fundao para a Cincia e a Tecnologia (FCT MEC), pelo suporte financeiro concedido

a este trabalho no mbito do projecto I&D MicroBac (PTDC/EME TME/ 118678/ 2010).

vi

vii

Resumo

Desenvolvimentos recentes demonstraram que a utilizao de clulas bacterianas constitui

uma tcnica de Ensaios No Destrutivos vivel para a identificao de micro defeitos

superficiais, com dimenses inferiores a 10 mcron, em alguns materiais de engenharia.

Contudo, os desenvolvimentos so sobretudo de carcter experimental, qualitativo e restritos a

poucos materiais, no sendo possvel relacionar convenientemente os resultados com os

parmetros dos ensaios, nem explicar as causas desses resultados ou prever os efeitos de

parmetros ainda no testados.

O objectivo deste trabalho alargar a tcnica a um leque mais abrangente de materiais,

desenvolver equipamento dedicado complementar ao existente, instrumentar os equipamentos

utilizados, e estabelecer as bases para um modelo da mobilidade das bactrias durante a fase de

penetrao.

Foram utilizadas trs estirpes de bactrias em provetes com defeitos artificiais em dez

materiais de engenharia, e tambm em componentes microfabricados com defeitos reais. Foram

produzidos e testados dois equipamentos para aplicao de campos magnticos triaxiais com

manes permanentes e com solenides. Procedeu-se instrumentao de equipamentos para

medir a intensidade dos campos magnticos em funo dos parmetros de inspeco.

Estabeleceu-se um modelo analtico expedito, baseado na vibrao forada amortecida, para

descrever e prever a dinmica das bactrias em meio aquoso sujeitas a foras elctricas ou

magnticas harmnicas. Foi realizada uma simulao numrica caracterizar os campos

elctricos e magnticos nas condies de ensaio.

Os resultados experimentais mostraram que possvel identificar defeitos artificiais com

profundidades de 1,2 m, 3,2 m, 2,0 m e 1,8 m em AISI 304L, AA1100, cobre, e Ti6Al4V,

respectivamente. As imagens de microscpio electrnico de varrimento evidenciaram a

presena de bactrias no interior de defeitos com 5 m nos provetes microfabricados. Os

resultados da simulao numrica foram coerentes com a experimentao. Em suma, os diversos

resultados permitiram aprofundar o conhecimento processual e fenomenolgico da tcnica de

END baseada em clulas bacterianas.

PALAVRAS-CHAVE

Ensaios No Destrutivos

Micro-defeitos

Clulas Bacterianas

Simulao

viii

ix

Abstract

Recent developments have shown that the use of bacteria cells is a nondestructive testing

(NDT) method viable to detect superficial micro defects, smaller than 10 micron, in some

engineering materials. However, these developments are essentially at the experimental level,

qualitative and only apply to few materials, there is no proper correlation between the results

and testing parameters, neither explanation for what causes these results nor way to predict the

effects of parameters not yet tested.

The aim of this thesis is to apply this technique to a wider range of materials, develop

specific equipment in order to complement the already existent, instrument the equipment used

and establish the basis for a model of bacteria movement during the penetration phase.

Three types of bacteria were used in samples of ten different engineering materials with

artificial defects and also microfabricated samples with real defects. Two equipments were

produced and tested to apply triaxial magnetic fields with permanent magnets and solenoids.

The equipment was instrumented with Hall detectors in order to quantify the intensity of the

magnetic fields according to the inspection parameters. An expeditious analytic model was

established, based on the damping vibration force, to describe and predict the dynamics of the

bacteria in aqueous medium when subjected to electric or harmonic magnetic forces. A numeric

simulation was created with the purpose of characterizing the electric and magnetic fields in the

testing conditions.

The experimental results show that is possible to identify artificial defects with depth of 1,2 m,

3,2 m, 2,0 m and 1,8 m in AISI 304L,AA1100, copper and Ti6Al4V, respectively. Scanning

electron microscopy images reveal the presence of bacteria inside defects of 5 m in the

microfabricated samples. The results of the numeric simulation were consistent with those on

experimentation. In sum, the collected data provide further procedural and phenomenological

knowledge on NDT method based on bacterial cells.

Key-Words

Non-destructive Testing

Microdefects

Bacterial Cells (CB)

Simulation

x

xi

NDICE

ndice ............................................................................................................................................ xi

1. INTRODUO .................................................................................................................... 1

1.1 Estado da Arte e Motivao .......................................................................................... 1

1.2 Objectivos ..................................................................................................................... 2

1.3 Trabalho Realizado ....................................................................................................... 3

1.4 Resultados e Concluses ............................................................................................... 3

2. REVISO DO ESTADO DA ARTE ................................................................................... 5

2.1 Introduo ..................................................................................................................... 5

2.2 Ensaios No Destrutivos (END) ................................................................................... 6

2.3 END por Lquidos Penetrantes (LP) ............................................................................. 6

2.4 END por Partculas Magnticas (PM) ........................................................................... 8

2.5 Ensaios No Destrutivos utilizando clulas bacterianas ............................................... 9

2.6 Semelhanas entre Lquidos Penetrantes, Partculas Magnticas e Clulas

Bacterianas.......10

2.7 Metodologias recentes para a deteco de micro-defeitos .......................................... 11

2.8 Potenciais aplicaes dos END utilizando clulas bacterianas: biomateriais ............. 12

2.8.1 Titnio ................................................................................................................. 13

2.8.2 Magnsio ............................................................................................................. 13

2.8.3 NiTi ..................................................................................................................... 14

2.9 Efeito anti-bacteriano do cobre ................................................................................... 14

2.10 Efeito do campo magntico no crescimento do filme de clulas bacterianas ............. 15

2.11 Reviso de alguns fundamentos do campo magntico ................................................ 16

2.11.1 Campo magntico permanente ............................................................................ 16

2.11.2 Electromagnetismo .............................................................................................. 18

2.11.3 Fora magntica de Translao ........................................................................... 21

2.11.4 Efeito Hall ........................................................................................................... 22

xii

2.12 Campo elctrico........................................................................................................... 23

2.12.1 Potencial do Campo Elctrico ............................................................................. 25

2.12.2 Sensor campo elctrico ........................................................................................ 25

3. DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL ..................................................................... 29

3.1 Introduo ................................................................................................................... 29

3.2 Desenvolvimento de equipamento dedicado para aplicao de campo magntico

triaxial 30

3.2.1 Identificao dos requisitos funcionais ............................................................... 30

3.2.2 Concepo do Equipamento ................................................................................ 31

3.2.3 Proposta de equipamento dedicapo para aplicao de campo magntico triaxial 31

3.2.4 Automao do equipamento ................................................................................ 36

3.3 Desenvolvimento de equipamento dedicado para aplicao de campo magntico

permanente triaxial ................................................................................................................. 37

3.3.1 Identificao dos requisitos funcionais ............................................................... 37

3.3.2 Concepo do equipamento................................................................................. 38

3.3.3 Proposta de Equipamento para aplicao de Campo Magntico permanente

triaxial 38

3.3.4 Automao do equipamento ................................................................................ 40

3.4 Modificao de equipamento para remoo do excesso de bactrias com Luz ultra

violeta 41

3.4.1 Identificao das principais limitaes ................................................................ 42

3.4.2 Solues propostas .............................................................................................. 42

4. INSTRUMENTAO E CARACTERIZAO DO CAMPO MAGNTICO ............... 43

4.1 Introduo ................................................................................................................... 43

4.2 Caracterizao das sondas de Efeito Hall .................................................................... 44

4.3 Adaptao das sondas de Efeito Hall .......................................................................... 45

4.4 Aquisio, leitura e converso do sinal ....................................................................... 47

4.5 Caracterizao do campo magntico ........................................................................... 48

4.5.1 Equipamento com 4 Solenides .......................................................................... 49

4.5.2 Equipamento com rotao do campo magntico ................................................. 52

xiii

4.5.3 Equipamento para aplicao de campo magntico horizontal e vertical. ............ 54

4.5.4 Equipamento para aplicao de campo magntico triaxial ................................. 62

4.5.5 Equipamento para aplicao de campo magntico permanente triaxial .............. 64

4.6 Tcnicas de visualizao do campo magntico ........................................................... 72

4.6.1 Equipamento para aplicao de campo magntico horizontal e vertical ............. 74

4.6.2 Equipamento para aplicao de campo magntico triaxial ................................. 75

4.6.3 Equipamento para aplicao de campo magntico permanente triaxial .............. 75

5. MODELAO ANALTICA DO COMPORTAMENTO DAS BACTRIAS ................ 77

5.1 Introduo ................................................................................................................... 77

5.2 Simulao analtica ..................................................................................................... 79

5.2.1 Modelo da bactria .............................................................................................. 79

5.2.2 Foras Aplicadas ................................................................................................. 80

5.2.3 Modelo proposto ................................................................................................. 81

5.3 Simulao numrica do campo elctrico ..................................................................... 86

5.3.1 Modelo do condensador placas planas paralelas ................................................. 86

5.3.2 Resultados ........................................................................................................... 87

6. VALIDAO EXPERIMENTAL ..................................................................................... 93

6.1 Introduo ................................................................................................................... 93

6.2 Fabrico de provetes com defeitos padro .................................................................... 94

6.3 Provetes de ensaio de traco ...................................................................................... 96

6.4 Bactrias ...................................................................................................................... 97

6.5 Ensaios com provetes padro ...................................................................................... 97

6.6 Ensaios com provetes de ensaio de traco ............................................................... 108

7. CONCLUSO .................................................................................................................. 111

xv

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1- Procedimento experimental END utilizando clulas bacterianas [1]. ...................... 10

Figura 2.2 Interface dinmica entre o magnsio e o ambiente biolgico durante a degradao

[15]. ............................................................................................................................................. 13

Figura 2.3 - Viabilidade da bactria Staphylococcus em cobre, bronze e ao inox a temperatura

ambiente. ..................................................................................................................................... 15

Figura 2.4 Ciclo completo de histerese [8]............................................................................... 16

Figura 2.5 Evoluo dos manes permanentes no sculo XX [26]. .......................................... 17

Figura 2.6 - Visualizao das linhas de campo magntico [8]. ................................................... 18

Figura 2.7 - Direco do campo magntico criado pela passagem de corrente elctrico no fio

[28]. ............................................................................................................................................. 19

Figura 2.8 - Campo magntico de um solenide [28]. ................................................................ 20

Figura 2.9 - Categorias de sensores para a medio do campo magntico. ................................ 22

Figura 2.10 - Efeito Hall. ............................................................................................................ 23

Figura 2.11 - Campo elctrico uniforme. .................................................................................... 24

Figura 2.12 - Linhas do campo elctrico. .................................................................................... 25

Figura 2.13 - Field mill [33]. ....................................................................................................... 26

Figura 2.14 - Sonda campo elctrico sonda de campo elctrico. ................................................ 26

Figura 3.1 - Modelao triaxial em SOLIDWORKSTM

do equipamento para aplicao de campo

magntico triaxial. ....................................................................................................................... 32

Figura 3.2 - Equipamento para aplicao de campo magntico triaxial. ..................................... 33

Figura 3.3 - Referencial assumido para caracterizar o movimento do ponto P. ......................... 33

Figura 3.4 - Percurso do ponto P para vinte rotaes mecnicas e uma rotao electrnica. ..... 34

Figura 3.5 Percurso do ponto P para uma rotao mecnica e vinte rotaes electrnicas. ..... 35

Figura 3.6 - Percurso do ponto P para uma rotao mecnica e uma rotao electrnica. ........ 35

Figura 3.7 - Percurso do ponto P para meia rotao mecnica e uma rotao electrnica. ......... 35

Figura 3.8 Interface grfica LabviewTM

para equipamento dedicado para aplicao de campo

magntico triaxial. ....................................................................................................................... 36

Figura 3.9 - Modelao triaxial em SOLIDWORKSTM

do equipamento para aplicao de

campo magntico permanente triaxial. ........................................................................................ 39

Figura 3.10 - Equipamento com aplicao campo magntico permanente triaxial. .................... 40

Figura 3.11 - Interface grfica LabviewTM

para equipamento dedicado para aplicao de campo

magntico permanente triaxial. ................................................................................................... 41

Figura 3.12 - Equipamento para remoo do excesso de bactrias com Luz ultra violeta [2]. .. 42

Figura 4.1 - Sinal de sada (Volts) em funo do campo magntico (Gauss). ............................ 45

xvi

Figura 4.2 Posio relativa das sondas de Hall: ....................................................................... 46

Figura 4.3 Esquema de montagem do sensor efeito Hall. ........................................................ 46

Figura 4.4 Interface grfica em LabviewTM

. ............................................................................ 47

Figura 4.5 Sondas de Hall com as ligaes elctricas e a posio relativa final: ..................... 48

Figura 4.6 Ensaio com sonda de Hall n2 no equipamento com 4 solenides ...................... 49

Figura 4.7 - Eixo de coordenadas do equipamento com 4 solenides. ........................................ 49

Figura 4.8 Campo B(t) Ligao n1 1 Hz. .......................................................................... 50

Figura 4.9 - Campo B(t)- Ligao n2 -1 Hz. .............................................................................. 51

Figura 4.10 Ensaio com sonda de Hall n2 no equipamento com rotao do campo magntico.

..................................................................................................................................................... 52

Figura 4.11 - Eixo de coordenadas do equipamento com rotao do campo magntico. ........... 52

Figura 4.12 Campo B(t) no equipamento com rotao do campo magntico. ......................... 53

Figura 4.13 - Esquema de montagem de equipamento de campo magntico H e V. .................. 54

Figura 4.14 - Eixo de coordenadas do equipamento para aplicao de campo magntico

horizontal e vertical. .................................................................................................................... 55

Figura 4.15 Caracterizao do equipamento com campo magntico horizontal e vertical com

diferentes materiais: .................................................................................................................... 55

Figura 4.16 - Campo magntico X,Y e Z sem provete. ............................................................... 56

Figura 4.17 - Campo magntico X,Y e Z com provete de alumnio. .......................................... 56

Figura 4.18 Campo magntico X,Y e Z com provete de cobre. ............................................... 57

Figura 4.19 - Campo magntico X,Y e Z com provete de PMMA. ............................................ 57

Figura 4.20 - Campo magntico X,Y e Z com provete de ao inox. ........................................... 58

Figura 4.21 - Campo magntico X,Y e Z com provete de ao carbono. ..................................... 58

Figura 4.22 Grfico 3D campo magntico do equipamento para aplicao campo magntico

horizontal e vertical. .................................................................................................................... 61

Figura 4.23 Esquema de montagem equipamento campo magntico triaxial ........... ..62

Figura 4.24 - Eixo de coordenadas do equipamento campo magntico triaxial .......................... 62

Figura 4.25 - Campo magntico X,Y e Z sem rotao ................................................................ 63

Figura 4.26 - Campo magntico X,Y e Z com rotao ............................................................... 63

Figura 4.27 - Coordenada medida ............................................................................................... 65

Figura 4.28 - Ensaio com sonda de Hall .................................................................................. 65

Figura 4.29 - Ensaio com sonda de Hall Configurao 1 ......................................................... 65

Figura 4.30 Ensaio com Sonda de Hall Configurao 2 ....................................................... 66

Figura 4.31 Interpolao e derivada dos resultados experimentais da intensidade do campo

magntico B(x). ........................................................................................................................... 67

Figura 4.32 - Eixo de coordenadas para equipamento campo magntico triaxial. ...................... 67

xvii

Figura 4.33 - Campo magntico com rotao do man vertical a 5 mm do provete - man Alnico.

..................................................................................................................................................... 68

Figura 4.34 - Campo magntico com rotao do man vertical a 5 mm do provete man Nd.. 68

Figura 4.35 - Campo magntico com rotao horizontal e vertical - man Alnico. .................... 69

Figura 4.36 - Campo magntico com rotao horizontal e vertical - man Nd ........................... 70

Figura 4.37 Intensidade B(t) para movimento tipo pndulo vertical 45. ................................ 70

Figura 4.38 Intensidade B(t) para movimento tipo pndulo vertical 30 ................................. 71

Figura 4.39 - Intensidade B(t) para movimento tipo pndulo vertical 15. ................................. 71

Figura 4.40 - Intensidade B(t) para movimento tipo pndulo vertical 30 .................................. 72

Figura 4.41 - Intensidade B(t) para movimento tipo pndulo vertical 45. ................................. 72

Figura 4.42 - Visualizao de campo magntico com filamentos de ferro ................................. 73

Figura 4.43 - Visualizao de campo magntico com ferrofluido .............................................. 73

Figura 4.44 Filme de visualizao de campo magntico. ......................................................... 74

Figura 4.45 Visualizao do campo ao longo do tempo com filamentos de ferro ................... 74

Figura 4.46 - Visualizao do campo ao longo do tempo com ferrofluido. ................................ 74

Figura 4.47 - Visualizao do campo ao longo do tempo com filme de visualizao de campo

magntico. ................................................................................................................................... 75

Figura 4.48 - Visualizao do campo ao longo do tempo com filamentos de ferro. ................... 75

Figura 4.49 - Visualizao do campo ao longo do tempo com filme de visualizao de campo

magntico. ................................................................................................................................... 75

Figura 4.50 - Visualizao do campo ao longo do tempo com filme de visualizao de campo

magntico. ................................................................................................................................... 76

Figura 5.1 Morfologias das bactrias: ...................................................................................... 79

Figura 5.2 - Modelos de densidade da bactria: .......................................................................... 80

Figura 5.3 - Diagrama de foras. ................................................................................................. 81

Figura 5.4 - Grfico da fora exercida sobre a bactria em funo do campo magntico gerado

por solenides. ............................................................................................................................. 83

Figura 5.5 Amplitude do movimento da bactria em funo do tempo x(t). ........................... 83

Figura 5.6 - Grfico da fora exercida sobre a bactria em funo do campo magntico gerado

por manes permanentes. ............................................................................................................. 84

Figura 5.7 - Amplitude do movimento da bactria em funo do tempo x(t) para fora

magntica gerada por manes permanentes. ................................................................................ 84

Figura 5.8 Amplitude do movimento da bactria em funo do tempo x(t) para fora elctrica.

..................................................................................................................................................... 85

Figura 5.9 - Amplitude do movimento da bactria em funo do tempo x(t) para fora elctrica

..................................................................................................................................................... 85

Figura 5.10 - Configurao do modelo ....................................................................................... 86

xviii

Figura 5.11 Visualizao da malha tetradrica do modelo ...................................................... 87

Figura 5.12 Potencial elctrico com provete em ar .................................................................. 88

Figura 5.13 - Potencial elctrico com provete em perfeito condutor elctrico ........................... 88

Figura 5.14 - Potencial elctrico com provete de material isolante (=3), .................................. 89

Figura 5.15 Linhas campo elctrico com provete de ar............................................................ 90

Figura 5.16 - Linhas campo elctrico com provete de perfeito condutor elctrico ..................... 90

Figura 5.17 - Linhas campo elctrico com provete de material isolante ..................................... 90

Figura 6.1 Matriz de indentaes ............................................................................................. 95

Figura 6.2 Forma do defeito padro. 95

Figura 6.3 Provetes produzidos em diferentes materiais .......................................................... 96

Figura 6.4 Exemplo de um provete fornecido. ......................................................................... 97

Figura 6.5 Defeito no provete PL_B: ..................................................................................... 109

xix

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Propriedades das ligas magnticas alnico e NdFeB [27]. ....................................... 18

Tabela 3.1 - Requisitos equipamento dedicado campo magntico triaxial. ................................ 30

Tabela 3.2- Requisitos equipamento dedicado campo magntico permanente. .......................... 38

Tabela 4.1 Tabela comparativa das propriedades dos vrios sensores. .................................... 44

Tabela 4.2 Intensidade campo magntico para equipamento com 4 solenides Ligao n 2 -

1 Hz. ............................................................................................................................................ 50

Tabela 4.3 Intensidade campo magntico para equipamento com 4 solenides - Ligao 2 -

1 Hz. ............................................................................................................................................ 51

Tabela 4.4 Valores mximos e mnimos da intensidade do campo magntico. ....................... 53

Tabela 4.5 Valores das intensidades do campo magntico no equipamento para aplicao de

campo magntico horizontal e vertical. ....................................................................................... 59

Tabela 4.6 - Mximo e mnimo do ensaio sem rotao. .............................................................. 63

Tabela 4.7 - Mximo e mnimo do ensaio com rotao .............................................................. 63

Tabela 4.8 Intensidade do campo magntico em funo da distncia para o ensaio com sonda

de Hall n 4. ................................................................................................................................. 66

Tabela 6.1 - Propriedades dos materiais. ..................................................................................... 94

Tabela 6.2 Escala de dimenso dos defeitos ............................................................................ 94

Tabela 6.3 Dimenso dos defeitos nos diferentes materiais. .................................................... 96

Tabela 6.4 - Propriedades das bactrias utilizadas nos ensaios laboratoriais. ............................. 97

Tabela 6.5 Planificao dos ensaios efectuados e dimenso L [m] /P[m] do menor defeito

detectado em cada ensaio. ........................................................................................................... 98

Tabela 6.6- Ensaio em provetes de ao inox. .............................................................................. 99

Tabela 6.7 Ensaio em provetes de alumnio. ............................................................................. 100

Tabela 6.8 - Ensaio em provetes de cobre. ................................................................................ 101

Tabela 6.9 - Ensaio em provetes de fibra de carbono. .............................................................. 102

Tabela 6.10 - Ensaio em provetes de GLARETM

...................................................................... 103

Tabela 6.11- Ensaio em provetes de grafite IC5. ...................................................................... 104

Tabela 6.12 - Ensaio em provetes de Magnsio. ....................................................................... 105

Tabela 6.13 - Ensaio em provetes de NiTi. ............................................................................... 105

Tabela 6.14 - Ensaio em provetes de Chumbo. ......................................................................... 106

Tabela 6.15 - Ensaio em provetes de titnio. ............................................................................ 107

Tabela 6.16 Tabela com melhores resultados. ....................................................................... 108

Tabela 6.17 - Planificao dos ensaios. ..................................................................................... 109

xx

1

1. INTRODUO

1.1 ESTADO DA ARTE E MOTIVAO

Os Ensaios No Destrutivos (END) consistem numa tcnica e metodologia de ensaio que

avalia e detecta defeitos em materiais, peas ou equipamentos sem danificar ou alterar as suas

caractersticas de forma irreversvel, podendo, aps a inspeco, voltar ao seu normal

funcionamento.

Devido aos constantes avanos tecnolgicos e evoluo significativa a nvel de novos

materiais, surge a necessidade de desenvolvimento de novas tcnicas e metodologias de END,

nomeadamente na rea da microfabricao. Uma das motivaes deste trabalho decorre da

necessidade que se verifica actualmente nas tcnicas de END para deteco de defeitos em

peas e componentes provenientes da microfabricao, pois a especificidade deste tipo de

defeito ultrapassa os limites tecnolgicos das tcnicas convencionais de END.

Tem vindo a ser desenvolvida uma tcnica pioneira de END, baseada na utilizao de clulas

bacterianas para a deteco de micro-defeitos. A utilizao de clulas bacterianas tem por base

as suas principais caractersticas como o tamanho, a mobilidade e a aderncia das bactrias.

O trabalho realizado por Joo Borges [1] permitiu validar os pressupostos desta nova tcnica,

obtendo bons indicadores, principalmente de carcter experimental e qualitativos. Como

desenvolvimento surgiram os trabalhos de Bruno Mateus [2] e Diogo Carvalho [3], que criaram

novos equipamentos dedicados e realizaram vrios ensaios prticos, recolhendo mais

informao sobre a nova tcnica e definindo parmetros ptimos com base nos ensaios

realizados.

Contudo, a tcnica necessita de mais investigao e desenvolvimento, pois o trabalho

realizado foi sobretudo de carcter experimental, quantitativo e restrito a poucos materiais, no

sendo possvel relacionar os resultados obtidos com os parmetros dos ensaios, nem identificar

as causas desses resultados ou mesmo prever o efeito de parmetros ainda no testados.

2

O trabalho a realizar pretende adicionar mais recursos e informaes sobre a mobilidade das

clulas bacterianas sujeitas a campo magntico e elctrico.

1.2 OBJECTIVOS

Com o intuito de desenvolver e melhorar a nova tcnica de END com clulas bacterianas

foram traados novos objectivos cientficos e tecnolgicos para o trabalho a realizar, com base

no problema existente.

Os principais objectivos cientficos para a nova tcnica END com clulas bacterianas foram:

1) Aprofundar o conhecimento cientfico da nova tcnica, permitindo melhorar a

compreenso dos aspectos fenomenolgicos envolvidos na tcnica, utilizando esse

conhecimento para optimizar os parmetros de ensaios e para criar novos equipamentos

dedicados.

2) Compreender e caracterizar os campos magnticos e elctricos existentes nos

equipamentos. Pretende-se com este conhecimento quantificar a intensidade dos campos

magnticos em funo tempo, bem como o seu decaimento no espao, medindo

experimentalmente as intensidades dos campos magnticos. Pretende-se igualmente estudar as

linhas do campo elctrico no interior e na envolvente de um condensador de placas planas

paralelas, atravs da simulao numrica.

3) Criar um modelo simplificado do comportamento dinmico das clulas bacterianas para

explicar e prever a causa/efeito dos parmetros dos ensaios, com os resultados obtidos atravs

da simulao analtica.

Para alcanar os objectivos cientficos, foram traados 3 objectivos tecnolgicos de forma a

cumprir com os requisitos acima referidos:

1) Produo de novo equipamento de ensaio dedicado, para aplicao de campos magnticos

triaxiais com manes permanentes e com solenides, para melhorar a mobilidade das clulas

bacterianas na fase de penetrao das bactrias aos defeitos.

2) Criao de prottipo funcional com uma apresentao pr-comercial, constitudo por um

kit com todos os elementos necessrios para aplicao da tcnica.

3) Inspeccionar novos materiais com a tcnica END utilizando clulas bacterianas

nomeadamente titnio, NiTi, magnsio AZ31, fibra de carbono, GLARETM

, chumbo e grafite.

4) Desenvolvimento de sondas de Hall, bem como os meios necessrios para a aquisio e

processamento de sinal, e de um programa dedicado.

3

1.3 TRABALHO REALIZADO

Foram produzidos dois novos equipamentos dedicados para promover a mobilidade e a

penetrao das bactrias nos defeitos. O primeiro equipamento cria um campo magntico

triaxial gerado pelos solenides do estator de um motor passo-a-passo. No segundo

equipamento utilizaram-se manes permanentes para a criao de campo magntico triaxial, com

a particularidade de os campos magnticos serem mais intensos.

Procedeu-se instrumentao dos equipamentos com sondas de Hall para a medio da

intensidade dos campos magnticos, para quantificar a intensidade dos campos magnticos em

funo dos parmetros de inspeco. Utilizaram-se tcnicas complementares de caracterizao

dos campos, recorrendo a ferrofluido, partculas magnticas e filmes de visualizao de campo

magntico. Estabeleceu-se um modelo analtico expedito para o comportamento das bactrias,

baseado na vibrao forada amortecida, de modo a descrever e prever a dinmica das bactrias

em meio aquoso sujeitas a foras elctricas ou magnticas harmnicas. Foram caracterizados os

campos elctricos e magnticos nas condies de ensaio atravs de simulao numrica,

recorrendo aos mtodos dos elementos finitos.

Foram utilizadas as bactrias R.erythropolis, S. aureus e S.hominis em provetes com defeitos

padro de micro indentao em AA1100, AISI304L, Ti6Al4V, NiTi, chumbo, magnsio AZ31,

grafite, fibra de carbono e GLARETM

e tambm em provetes de traco uniaxial em AISI 304L

com defeitos reais, microfabricados por powder injection moulding.

1.4 RESULTADOS E CONCLUSES

No decorrer deste trabalho desenvolveu-se equipamento dedicado para a aplicao de campo

magntico, bem como a instrumentao e caracterizao dos campos magnticos. Simulou-se o

comportamento da bactria sujeita a fora magntica e elctrica em meio aquoso, e por fim

validou-se experimentalmente a nova tcnica de END utilizando diferentes clulas bacterianas

em diferentes materiais de engenharia.

Relativamente aos equipamentos para aplicao de campos magnticos, pode concluir-se que

a concepo e a soluo construtiva adoptada cumprem eficazmente os requisitos de projecto

inicialmente estabelecidos.

A instrumentao realizada permitiu caracterizar e quantificar adequadamente a intensidade

dos campos magnticos em cada equipamento, nas trs direces espaciais, e para quaisquer

parmetros de ensaio. Verificou-se que na posio em que os provetes so colocados nos

equipamentos, o campo magntico gerado pelos solenides inferior a 350 Gauss, enquanto o

4

campo gerado pelos manes permanentes superior a 1000 Gauss, podendo aumentar

consideravelmente mediante pequenas aces correctivas.

As trs tcnicas complementares de caracterizao qualitativa dos campos magnticos que

foram utilizadas (ferrofluido, partculas de ferro e filmes de visualizao com partculas de

nquel) mostraram-se muito teis para o conhecimento da extenso espacial dos campos.

O modelo analtico do comportamento dinmico das bactrias baseado na analogia com a

vibrao forada amortecida de uma partcula em meio aquoso sujeita a foras harmnicas

revelou-se uma forma expedita para estimar a posio das bactrias em funo do tempo, para

diferentes parmetros de ensaio.

As principais concluses a retirar acerca da simulao numrica do campo elctrico foram

que: o campo uniforme aproximadamente em todo o seu volume na ausncia de provete; que

existe uma maior perturbao do campo quando o provete condutor elctrico, enquanto para o

caso do material isolante a perturbao tanto menor, quanto menor for a constante dieltrica.

Conclui-se que o melhor resultado obtido foi para o provete de ao inox 304, onde se

detectou o defeito padro H, com uma largura de 5,71 m e uma profundidade de 1,2 m com

bactrias R. erythropolis negativas.

Em termos de bactrias, a melhor foi a R. erythropolis negativa, quer para campo eltrico,

como magntico. As bactrias com propriedades magnticas, a S. aureus e a S. hominis no

detectaram qualquer defeito.

Em suma, os melhores resultados experimentais mostraram que possvel identificar

defeitos artificiais com profundidades de 1,2, 3,2, 2,0 e 1,8 m em AISI 304L, AA1100, cobre,

e Ti6Al4V, respectivamente. As imagens de microscpio electrnico de varrimento

evidenciaram a presena de bactrias no interior de defeitos com 5 m nos provetes

microfabricados. Os diversos resultados permitiram aprofundar o conhecimento processual e

fenomenolgico da tcnica de END baseada em clulas bacterianas.

5

2. REVISO DO ESTADO DA ARTE

2.1 INTRODUO

Neste captulo apresenta-se o resultado da pesquisa bibliogrfica realizada. Abordam-se no

estado da arte os principais temas associados a esta tese, nomeadamente os END ( 2.1), END

por lquidos penetrantes ( 2.3), END por partculas magnticas ( 2.4) e END utilizando de

clulas bacterianas ( 2.5). Apresentam-se desenvolvimentos recentes para a deteco de micro-

defeitos ( 2.7) e potenciais aplicaes dos END utilizando clulas bacterianas (2.8).

Descrevem-se os principais fundamentos do campo magntico ( 2.11) e campo elctrico (

2.12)

6

2.2 ENSAIOS NO DESTRUTIVOS (END)

Os Ensaios No-Destrutivos (END) so conjuntos de ensaios que se realizam em

equipamentos, peas ou materiais, sem perda da sua integridade fsica ou funcionalidade aps o

ensaio. Este tipo de ensaio definido pela American Society for Nondestructive Testing

(ASNDT) [4] como:

A aplicao de metodologias de teste para examinar um objecto, material ou sistema, sem

prejuzo das suas propriedades, performance ou utilidade futura

O aparecimento dos END no tem data especfica, mas sofreu grande impulso durante as

duas Grandes Guerras Mundiais, passando a ser uma importante ferramenta para o aumento dos

nveis de fiabilidade, qualidade e segurana dos materiais e componentes. Com a constante

introduo de novos materiais e tecnologias de produo surgem novos tipos de defeitos que

necessitam de novas tcnicas END para a sua deteco [5].

Os END podem classificar-se segundo o princpio fsico associado, como a emisso de

radiao, ondas acsticas, ondas electromagnticas entre outros (absoro, capilaridade, etc.) Os

mtodos mais comuns de END so: Lquidos Penetrantes (LP), Partculas Magnticas,

Correntes Induzidas, Ultra-sons e o Raios X.

2.3 END POR LQUIDOS PENETRANTES (LP)

Os lquidos penetrantes (LP) so um dos mtodos mais utilizados em END para deteco de

defeitos superficiais numa grande variedade de materiais, salvo materiais porosos ou com

rugosidade elevada. uma tcnica com mltiplas aplicaes, pois adapta-se facilmente a

diferentes tamanhos e geometrias das peas, requer baixos tempos de inspeco e possui um

custo baixo comparativamente a outras tcnicas, constituindo assim uma ferramenta essencial na

indstria actual. [6]

A origem dos LP remonta aos finais do sculo XIX, em que as peas a inspeccionar eram

mergulhadas em leo mineral durante algum tempo e, aps a secagem da superfcie, a pea era

coberta com talco. O aparecimento de manchas no talco revelavam os defeitos existentes na

superfcie da pea [7]. Este procedimento no permite detectar defeitos de pequena dimenso,

pelo que foi necessrio uma evoluo no sentido de aumentar a capacidade de penetrao dos

LP por capilaridade e a adio de corantes para criar uma colorao do defeito facilitando a sua

deteco.

A inspeco por LP baseia-se na capacidade de penetrao de um lquido num defeito pelo

efeito da capilaridade. necessrio preparar o objecto a inspeccionar, removendo toda a

7

sujidade e gordura da superfcie em estudo de modo a desobstruir os possveis defeitos

superfcie para a aplicao do penetrante. O excesso removido e aplicado um revelador que

absorve o penetrante do interior dos defeitos. As manchas que surgem indicam a localizao dos

defeitos permitindo a sua caracterizao e avaliao. O procedimento a seguir para a realizao

de um ensaio por LP apresentado mais detalhadamente [8]:

1. - Preparao da superfcie necessrio garantir que a superfcie a inspeccionar esteja

limpa e seca, isto , isento de gorduras e impurezas que possam pr em causa os resultados do

ensaio.

2. - Aplicao do penetrante O lquido penetrante aplicado em toda a rea da superfcie

a inspeccionar, criando uma pelcula contnua em toda a superfcie.

3. - Remoo do excesso de penetrante O excesso de penetrante removido da superfcie

aps o tempo de penetrao. Pode ser removido atravs de 3 tcnicas: gua, emulsificador ou

solventes, sendo necessrio especial cuidado para que o penetrante no seja removido dos

defeitos.

4. - Aplicao de revelador aplicada uma fina camada de revelador sobre toda

superfcie uniformemente. O revelador absorbe o penetrante dos defeitos, indicando a presena

de um defeito.

5. - Inspeco e interpretao dos resultados Aps a deteco do defeito, este

caracterizado de modo a avaliar se os defeitos so prejudiciais ou no.

6. - Limpeza Final Concluda a operao de avaliao dos defeitos, procede-se limpeza

da superfcie para remover os resduos dos materiais penetrantes. Caso a superfcie no seja

devidamente limpa, pode ficar comprometida uma aplicao futura, por exemplo, de tinta ou a

qualidade de uma soldadura.

As principais propriedades que caracterizam os LP so a capilaridade/molhabilidade, a

viscosidade e a colorao.

Outras propriedades so tidas em conta no fabrico do LP como:

a) Viscosidade limitada a 5 centistokes

b) Ponto de inflamao mnimo entre os 50 55 C, por razes de segurana

c) Volatilidade baixa

d) Estabilidade trmica, para que no ocorra perda de brilho e cor dos pigmentos utilizados.

e) Inrcia qumica, ou seja, o penetrante no deve reagir quimicamente com as peas a

inspeccionar

f) Solubilidade, facilidade de remoo e resistncia gua, O penetrante deve ser facilmente

removido da superfcie onde foi aplicado.

g) Toxicidade baixa

8

2.4 END POR PARTCULAS MAGNTICAS (PM)

A inspeco com partculas magnticas uma tcnica utilizada para deteco de defeitos

superficiais e sub-superficiais em materiais ferromagnticos. O END por PM surgiu nos Estados

Unidos da Amrica, por volta de 1930, mas aps a 2 Guerra Mundial sofreu uma grande

evoluo como mtodo de Ensaio no Destrutivo. O mtodo de PM baseia-se no facto das

partculas serem atradas para zonas de campo de fuga gerado pelo defeito na pea, aps ser

sujeita a um campo magntico.

Este mtodo composto por 6 fases:

1 Limpeza da pea (Remoo de leos, gorduras, etc)

2. Magnetizao da pea

3. Aplicao de partculas magnticas

4. Inspeco

5. Desmagnetizao

6. Limpeza dos resduos das partculas magnticas

A escolha das partculas magnticas a utilizar numa inspeco um dos factores mais

importantes do mtodo. As caractersticas das partculas a ter em conta num ensaio so [6]:

a) Dimenso A dimenso das partculas condiciona o seu movimento quando sujeitas a um

campo magntico. Um campo magntico fraco criado por um defeito retm mais facilmente

uma partcula de pequena dimenso do que uma de maior dimenso. Uma rugosidade elevada

prejudica a mobilidade de uma partcula menor, podendo esta aderir superfcie sem que ocorra

movimento, enquanto uma partcula de maior dimenso atenua este efeito de adeso.

Tipicamente a dimenso das partculas so da ordem dos 10 -30 m.

b) Forma A forma das partculas influencia o seu comportamento quando sujeito a um

campo magntico. Partculas com forma mais alongada tendem a alinhar-se ao longo das linhas

de fora, ao invs de partculas esfricas, devido ao aparecimento de polos magnticos.

c) Permeabilidade e fora coerciva As partculas magnticas devem ter uma

permeabilidade elevada, baixa retentividade e fora coerciva baixa.

d) Mobilidade A mobilidade das partculas tem uma influncia importante na formao

das indicaes. Na aplicao por via seca possvel aumentar a mobilidade, vibrando a pea a

inspeccionar ou utilizando correntes alternadas ou rectificadas. Para a via hmida pertinente

regular a viscosidade da suspenso para no reduzir a mobilidade das partculas.

e) Visibilidade e Contraste As partculas podem ser fabricadas com vrias cores, para

criar vrias possibilidades de contraste e visibilidade. As partculas originalmente so de cor

9

cinzenta, mas so utilizadas outras cores em funo da pea em inspeco, de modo a

conseguir-se um melhor contraste. possvel criar partculas com pigmentos fluorescentes que

aumentam a visibilidade e contraste, sendo ento necessrio realizar a inspeco com luz negra.

2.5 ENSAIOS NO DESTRUTIVOS UTILIZANDO CLULAS

BACTERIANAS

A tcnica END utilizando clulas bacterianas um mtodo para inspeco de micro-defeitos

superficiais em materiais ferrosos e no ferrosos. uma tcnica recente e pioneira que se

encontra em desenvolvimento no mbito das actividades de investigao do Ncleo de

Tecnologia Mecnica do DEMI da Faculdade de Cincias e Tecnologia da Universidade Nova

de Lisboa. Os resultados experimentais j efectuados demonstraram o elevado potencial da

tcnica, mas tambm a necessidade de mais investigao [1], [2] e [3].

O mtodo em estudo baseia-se na dimenso reduzida das bactrias, na ordem dos mcrons,

permitindo identificar defeitos com dimenso inferiores a 10 m [3]. Este mtodo semelhante

aos END por lquidos penetrantes devido sua metodologia de ensaio.

Na primeira etapa, a superfcie da pea deve ser limpa de modo a ficar isenta de sujidade e

gorduras. Depois, aplicam-se as clulas bacterianas na superfcie da pea para a fase penetrao

e adeso das clulas ao defeito durante 4 minutos [3]. De seguida, o excesso removido e d-se

o incio etapa de revelao, inspeco e interpretao dos resultados. Por fim, a pea

esterilizada a 60 C de forma a matar todas as clulas bacterianas, evitando danos a nvel da

biocorroso [1]. As diferentes fases esto representadas na Figura 2.1

10

Figura 2.1- Procedimento experimental END utilizando clulas bacterianas [1].

O desenvolvimento de uma tcnica END capaz de detectar micro-defeitos uma necessidade

e uma importante ferramenta, devido actual falta de uma tcnica nesta rea. As tcnicas

comuns de END como os ultra-sons, raios-x, os LP, as correntes induzidas e as PM no tm

actualmente uma variante capaz de detectar micro-defeitos, por exemplo nas peas

microfabricadas.

Os trabalhos recentemente desenvolvidos sobre a tcnica END utilizando clulas bacterianas

abordaram principalmente a etapa de penetrao das clulas bacterianas aos defeitos. No

trabalho realizado por Bruno Mateus [2], foram produzidos vrios equipamentos dedicados para

promover a mobilidade das bactrias, tais como: equipamento para aplicao campo elctrico

horizontal e vertical, equipamento com rotao do campo magntico e equipamento aplicando

campo magntico horizontal e vertical. Como trabalho complementar, Diogo Carvalho [3]

avaliou e interpretou as novas variveis criadas pelos novos equipamento realizando vrios

ensaios. Com o trabalho realizado foi possvel definir um limiar de detectabilidade de micro-

defeitos superficiais de 9,6 m para provetes em ao inox [3].

2.6 SEMELHANAS ENTRE LQUIDOS PENETRANTES,

PARTCULAS MAGNTICAS E CLULAS BACTERIANAS

A primeira evidncia da semelhana entre os END por LP e os END utilizando clulas

bacterianas est na metodologia de ensaio, uma vez que ambos apresentam o mesmo

procedimento de ensaio. As duas tcnicas foram desenvolvidas para detectar defeitos

11

superfcie: os lquidos penetrantes com limiar de detectabilidade nos 67 m no cobre e as

clulas bacterianas para defeitos inferiores a 10 m [3]. O efeito da capilaridade um dos

factores mais importante presente nas duas tcnicas que possibilitam a penetrao dos lquidos

ou bactrias nos defeitos. Uma das vantagens das clulas bacterianas em relao aos lquidos

penetrantes a adeso das bactrias ao defeito, diminuindo a possibilidade de remoo de

bactrias do defeito na fase de remoo do excesso. O paralelismo entre as partculas

magnticas e as clulas bacterianas deve-se utilizao de bactrias com propriedades

magnticas.

2.7 METODOLOGIAS RECENTES PARA A DETECO DE MICRO-

DEFEITOS

A inspeco de componentes produzidos por printed circuit board (PCB) requer meios de

inspeco fiveis, para que o seu custo de montagem seja reduzido. Existem vrios tipos de

defeitos em PCB, dificultando a sua identificao. Os defeitos mais comuns so o curto circuito,

falta de ligao, desvios, etc. [9].

Em 2006 na Universidade de Kanazawa no Japo, Sotoshi et al [10] desenvolveram uma

sonda de correntes induzidas de alta frequncia composta por uma meander coil, como bobina

de excitao, e por um spin-valve giant magnetoresistance (SV-GMR). A sonda tem a

capacidade de inspeccionar PCB, detectando os micro-defeitos nos micro condutores,

fornecendo ainda informao sobre a dimenso e alinhamento do condutor. A sonda foi testada

num modelo de PCB com um condutor de 200 m de espessura, em que os defeitos variavam

entre os 50 m a 500 m, conseguindo detectar o defeito de menor dimenso [9].

A dificuldade de deteco e caracterizao de defeitos em micro componentes electrnicos

aumentou, devido maior complexidade das formas dos componentes e diminuio da sua

dimenso. A utilizao de raio-X apresenta cada vez mais limitaes devido maior

sobreposio das formas geomtricas dos componentes, interferindo no campo de viso do raio-

X. Devido a esse facto, o uso da tcnica de tomografia computorizada, tem maior interesse por

ser gerado um modelo 3D de visualizao do componente, atravs do processamento de um

algoritmo de reconstruo dos raio-x tirados em vrios planos. Com esta tcnica, foi possvel

atingir resolues na ordem dos 2 m [11].

A deteco de micro-defeitos em condutas de vapor crucial para garantir a segurana e

longevidade das mesmas, visto que esto sujeitas a elevadas presses durante longos perodos

de tempo. Nestes casos, existe um risco elevado do crescimento dos micro-defeitos desde a

12

superfcie at ao interior da conduta, aumentando a possibilidade de falha grave e ruptura do

equipamento [12].

O mtodo convencional de ultra-sons no detecta este tipo de defeitos, visto que o

comprimento de onda dos ultra-sons superior ao comprimento do defeito, ocorrendo a

difraco da onda ao invs da sua reflexo [13]. Para ultrapassar este problema, o trabalho de

J. V. Zhitluhina et al. [11], aprofundou o estudo das propriedades acsticas de amostras de ao

12Kh1MF de alta temperatura, retiradas de uma conduta de vapor, com micro-defeitos de

0,5 m at 28 m. A tcnica de interferometria laser foi utlizada para aprofundar o

conhecimento da dinmica espacial-temporal dos campos acsticos na presena de defeitos

internos e superficiais. Trs tipos de provetes foram testados com as seguintes condies: o

primeiro provete esteve sujeito a presses de 20 MPa, temperatura de 600 C durante 16000

horas, com identificao ao microscpio de descontinuidades superfcie na gama dos 4,3 -

28,25 m; o segundo e terceiro provetes foram sujeitos a presses de 13 MPa, temperatura de

550 durante 150000 horas. No provete 2 foi inspeccionada a zona sujeita compresso e no

provete 3 analisou-se a zona traco, com a caracterizao dos defeitos na ordem dos 0,6 a

8,8 m para o provete 2 e de 0,5 a 15,6 m para o provete 3. Os resultados obtidos nos ensaios

com os provetes mostraram uma boa relao entre os sinais causados pela difraco dos ultra-

sons com a extenso dos danos no material.

V.Mahendran and John Philip [14] desenvolveram uma nova tcnica de visualizao de

defeitos a olho nu para a caracterizao de defeitos superficiais em materiais ferromagnticos.

Foram utilizados diferentes tipos de nano-fluidos com nano-partculas ferromagnticas na

ordem dos 10 nm, numa emulso de leo-gua. Os provetes utilizados tinham dimenso de

21x2,5x1 cm, com defeitos cilndricos e rectangulares com dimenso na ordem dos 0,5 - 5 mm e

profundidade de 3 a 8 mm. Os resultados obtidos mostram que foi possvel localizar e visualizar

defeitos com os nano fluidos devido mudana de cor provocada pelo campo de fuga do

defeito. O menor defeito detectado com esta tcnica foi de 0,5 mm de comprimento.

2.8 POTENCIAIS APLICAES DOS END UTILIZANDO CLULAS

BACTERIANAS: BIOMATERIAIS

A utilizao de metais para o fabrico de implantes tem sido cada vez mais requisitada, dado

o crescente progresso da medicina nesta rea. Os metais so utilizados em aplicaes onde

resistncia mecnica e dureza so essenciais, como nas prteses ortopdicas, parafusos, prteses

dentrias, entre outros [15]. O metal a utilizar numa prtese, requer um estudo adequado das

consequncias da sua utilizao, pois o corpo humano no tolera alguns dos metais em grandes

quantidades no seu sistema. Outro factor a ter em conta a corroso do metal, que estar sujeito

a ambientes com bactrias, processo designado por biocorroso. A corroso de um material

13

implica o seu enfraquecimento estrutural, podendo levar ao colapso do componente, bem como

a deteriorao do material pode criar efeitos indesejveis nos tecidos [16]. Alguns metais com

particular interesse neste trabalho so os biomateriais, onde se incluem o titnio Ti6AL4V, liga

de magnsio AZ31 e o NiTi.

2.8.1 TITNIO

Os primeiros implantes fabricados em titnio remontam dcada 30 do sculo XX.

Atendendo sua leveza comparvel com o ao inox 316, 4,5 g/cm3 e 7,9g/cm

3 respectivamente,

aliadas s boas propriedades mecnicas e qumicas tornaram o titnio num material utilizado por

exemplo na rea biomdica, com uma cota de utilizao de 50% para o Ti-6Al-4V, tornando-se

numa liga standard na rea [16].

2.8.2 MAGNSIO

A aplicao de magnsio ou ligas de magnsio na rea da biomdica tem sido recorrente

desde o incio do sculo XX, mas teve um perodo de menor desenvolvimento quando no

foram encontradas solues para o problema da corroso [17]. Um dos grandes interesses do

uso do magnsio ou das suas ligas prende-se com o facto de ser necessrio usar implantes em

metal biodegradvel, o que poderia evitar uma segunda cirurgia para remover o implante,

minimizando custos mdicos e trauma no paciente [15]. O magnsio encontra-se na classe de

materiais mais reactivos e, por isso, novas ligas comerciais foram desenvolvidas de modo a

tornar a liga de magnsio menos reactiva [15].

Relativamente biocorroso do magnsio, esta ocorre quando a concentrao de OH- na

superfcie aumenta at um certo nvel, resultando na formao de uma camada superfcie de

precipitados, devido aos fosfatos contidos no Clcio e Magnsio [15].

Figura 2.2 Interface dinmica entre o magnsio e o ambiente biolgico durante a degradao

[15].

14

Conclui-se que a taxa de biocorroso, na maioria das ligas de magnsio, mais elevada nos

primeiros estgios da corroso. Esta dinmica diferente em comparao com ao inoxidvel

ou ligas de titnio no mesmo ambiente [15].

2.8.3 NITI

A liga NiTi tem um importante papel na biomdica para aplicaes in-vivo, tendo como

principais caractersticas a memria de forma e super-elasticidade. A liga tem a capacidade de

reverter de uma situao em que sofreu uma deformao plstica, regressando sua forma

inicial aps ser aquecido, sendo que este efeito ocorre apenas se a deformao plstica no

ultrapassar a temperatura de transformao. O NiTi usado em vrias situaes, como fio

dentrio para aparelhos dentrios, stents vasculares, clips para aneurismas intracranianos e

implantes ortopdicos [17].

2.9 EFEITO ANTI-BACTERIANO DO COBRE

O conhecimento da interaco entre diferentes tipos de material e as bactrias determinante

para a fase de adeso das bactrias superfcie do material [18]. Alguns do materiais tm

propriedades anti-bacterianas, por exemplo o cobre.

A utilizao do cobre remonta ao imprio romano, onde o cobre era utilizado para o fabrico

de utenslios culinrios e usado no sistema de abastecimento de gua potvel. Na poca, o uso

do cobre devia-se ao conhecimento do efeito de melhoria da sude pblica, mas desconhecia-se

que a melhoria resultava do efeito anti-bacteriano do cobre [19].

Estudos recentes apontam para a diminuio e extino de bactrias quando em contacto

com uma superfcie de cobre seco temperatura ambiente. Ento, o uso de cobre em hospitais

em alternativa ao ao inox seria uma vantagem na conteno da transmisso de infeces e

doenas [20].

Num estudo realizado na Universidade de Southampton em 2006, J.O. Noyce et al.[20]

compararam o efeito antibacteriano de trs materiais: ao inox, bronze e cobre. utilizado a

bactria Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) e duas formas de epidemia,

EMRSA-1 e EMRSA-16. Os investigadores concluram que existia uma extino da bactria

MRSA aps 45 minutos de contacto entre a bactria e o cobre, ao invs do ao inox que

mantinha os mesmos nveis de bactrias iniciais. O bronze apresentou igualmente um efeito

antibacteriano, embora mais atenuado que o cobre como demonstrado na Figura 2.3 [21]:

15

Figura 2.3 - Viabilidade da bactria Staphylococcus em cobre, bronze e ao inox a temperatura

ambiente.

O efeito anti-bacteriano do cobre foi confirmado no trabalho de Diogo Carvalho [3].

2.10 EFEITO DO CAMPO MAGNTICO NO CRESCIMENTO DO

FILME DE CLULAS BACTERIANAS

Para avaliar o efeito do campo magntico em alguns tipos de bactrias, nomeadamente

Escherichia coli, Leclercia adecarboxylata e Staphylococcus aureus, sujeitas a um campo

magntico de baixa frequncia durante a sua fase de crescimento, foi realizado um estudo em

2003 por Lukas Fojt, no Instituto de Biofsica da Academia de Cincias da Rpublica Checa

em Brno [22]. Pretendia-se comparar se a formao de colnias aumentava ou diminua, quando

as bactrias eram sujeitas a campo magntico. Utilizou-se uma bobina com 880 espiras,

dimetro interior de 205 mm, 210 mm de comprimento e fio de 2 mm de dimetro. O campo

magntico gerado no interior da bobina foi de 10 mT.

Os autores concluram que existe um efeito negativo do campo magntico no crescimento de

colnias em todos os tipos de bactrias. A bactria E.coli foi a mais afectada e a S. Aureus a

menos. No foi possvel concluir a causa deste efeito sobre as bactrias, mas a principal teoria

baseia-se na possibilidade de existir um efeito na permeabilidade dos canais inicos, afectando o

transporte de ies para as clulas, resultando em alteraes biolgicas no organismo. Por fim,

outra teoria relata a possibilidade de formao de radicais livres devido a exposio ao campo

magntico [22].

16

2.11 REVISO DE ALGUNS FUNDAMENTOS DO CAMPO

MAGNTICO

Uma vez que que as bactrias apresentam propriedades magnticas, pode explorar-se esta

caracterstica de forma a promover a mobilidade e a penetrao da bactria n.os defeitos. Isso

pode ser realizado com a aplicao de campo magntico sobre as bactrias durante o tempo de

penetrao. Neste sentido, considera-se til uma reviso de alguns conceitos bsicos da fsica

dos campos magnticos.

2.11.1 CAMPO MAGNTICO PERMANENTE

H mais de 2000 anos os gregos conheciam uma pedra (de um mineral que hoje chamamos

de magnetita) que atraa pedaos de ferro. Existem tambm referncias documentais do uso dos

manes na navegao no sculo XII [23].

Um man permanente pode ser comparado a um componente que armazena energia, por

exemplo a mola, que armazena energia potencial elstica. A capacidade de armazenar energia

depende do produto entre (BH)max. O ciclo de histerese descreve a relao entre a intensidade

do campo magntico (H) com o fluxo densidade magntica (B), gerado pelo material magntico.

A intensidade do campo magntico tem como unidade o Oersted ou A/m. Para o fluxo

densidade magntica tem unidade T (Tesla) ou em unidades cgs Gauss, com uma relao de

converso de: 1 mT = 10 Gauss. Apresenta-se na Figura 2.4 o ciclo de histerese.

Figura 2.4 Ciclo completo de histerese [8].

Existem duas classes de ligas magnticas, os hard magnets e os soft magnets. Na classe dos

hard magnets, os manes tem elevadas foras coercivas, enquanto para os soft magnets a fora

coerciva mnima, mas tem elevados nveis de saturao, ou seja, enquanto os hard magnets

tem maior capacidade de reter campo magntico, os soft magnets so caracterizados pela sua

17

incapacidade de reter campo magntico quando este removido [24]. Os soft magnets so

utilizados em aplicaes como geradores, motores e em transformadores estticos, devido sua

elevada intensidade de campo magntico e facilidade de maquinao, onde a diminuio do

peso e tamanho so requeridos [24]. Os hard magnets, mais conhecidos por manes

permanentes, tem como principal caracterstica a capacidade de reter o campo magntico e so

usados em vrios componentes, como discos rgidos, microfones e altifalantes, bem como

motores passo-a-passo ou motores lineares [25]. representado da Figura 2.5 um grfico com a

evoluo das intensidades do campo magntico ao longo dos anos[26].

Figura 2.5 Evoluo dos manes permanentes no sculo XX [26].

As principais ligas magnticas, com interesse para o trabalho realizado foram o alnico e

NdFeB, mais conhecido por manes de neodmio. A liga alnico foi descoberta em 1932, quando

a Universidade Tquio revelou uma nova liga Al-Ni- Fe com fora coerciva 9 vezes maior que

os aos magnticos disponveis data. Aps maior desenvolvimento, foi adicionado cobalto

liga, mudando a designao da liga para Alnico [24]. Desde 1983, o desenvolvimento da liga de

NdFeB resultou num aumento do produto de energia para 45 MGOe, o que permitiu um avano

tecnolgico nos componentes referidos anteriormente [24]. As principais propriedades

magnticas so apresentadas na Tabela 2.1:

18

Tabela 2.1 Propriedades das ligas magnticas alnico e NdFeB [27].

Magnetic propreties

Magnetic

Alloy

Max. Energy

Product (BH)max

Residual

Induction Br Coercive Force Hc

Intrinsic Coercive

Force Hcj

[MGOe] [kJ/m3] [Gauss] [mT] [oersteds] [kA/m] [oersteds] [kA/m]

Alnico 5,5 43,8 12800 1280 640 51 640 51

NdFeB 42 340 13100 1310 12700 1010 15000 1190

A permeabilidade magntica [H/m], uma medida do grau de magnetizao de um

material quando um campo magntico aplicado, ou seja uma relao entre a intensidade do

campo magntico e a densidade fluxo magntico, como demonstrado na equao 2.1. O valor da

permeabilidade magntica no vazio de 0 = 410-7

[H/m]. A permeabilidade magntica

relativa r dada pela razo entre e 0 aproximadamente de um (r = 1) para materiais

paramagnticos e diamagnticos, portanto a permeabilidade [H/m] praticamente igual a 0

[23].

HB

00 (2.1)

Figura 2.6 - Visualizao das linhas de campo magntico [8].

2.11.2 ELECTROMAGNETISMO

Existe outra forma de criar campo magntico, sem a utilizao de manes permanentes,

nomeadamente com corrente elctrica. O exemplo para demonstrar este fenmeno consiste na

colocao de uma folha de carto com alguns filamentos de ferro na horizontal e passar um fio

elctrico na perpendicular ao carto, como pode ser visto na Figura 2.7. Quando uma corrente

passa pelo fio, gerado um campo magntico circular em volta do fio, que orienta os filamentos

19

segundo a direco e sentido do campo magntico. Se for invertido o sentido da corrente pelo

fio, as linhas do campo magntico tambm invertem o sentido [28].

Figura 2.7 - Direco do campo magntico criado pela passagem de corrente elctrico no fio

[28].

A equao para o campo magntico produzido por uma corrente elctrica obtida pela Lei

de Biot-Savart. Um elemento de corrente sdI

produz um campo magntico no ponto P pBd

que perpendicular a sdI

e a rdagr p

. Na Equao 2.2 apresenta-se a Lei de Biot-Savart, em

que I [A] a intensidade de corrente, [H/m] a permeabilidade magntica e r [m] a

distncia entre P e sdI

[29]

rdagrsdr

IBd pp

24

(2.2)

A intensidade do campo magntico no centro de uma espira percorrida por corrente

descrita na Equao 2.3 em que B [T] o campo magntico, [H/m] a permeabilidade

magntica no espao livre, I [A] a intensidade de corrente e r [m] o raio da espira:

R

IB

2

0

(2.3)

Um solenide um fio enrolado em hlice, de modo a formar uma srie de espiras muito juntas

para produzir um campo magntico intenso e homogneo na regio delimitada pelas espiras.

Considerando um solenide de comprimento L [m] formado por N espiras percorridas por uma

corrente I [A], com eixo do x alinhado com o eixo do solenide e que x = -a a extremidade

esquerda e x = +b a extremidade direita, a expresso que permite calcular a intensidade do

campo magntico [T] na origem apresentada na Equao 2.4:

20

22220

2

1

ra

a

rb

bI

L

NBx

(2.4)

Na Figura 2.8 apresentam-se as linhas de campo magntico de um solenide.

Figura 2.8 - Campo magntico de um solenide [28].

21

2.11.3 FORA MAGNTICA DE TRANSLAO

A fora magntica de translao exercida sobre um corpo ferromagntico pode ser calculada

pela variao do gradiente da densidade de energia do campo magntico na presena de um

objecto ferromagntico [30]. A fora Fm [N] obtida pela Equao 2.1, em que o

gradiente, U [J/m3] a densidade de energia com o objecto ferromagntico, U0 [J/m

3] a

densidade de energia sem o objecto ferromagntico e V [m3] o volume do objecto

ferromagntico.

VUUFmag 0

(2.5)

A densidade de energia do campo magntico [U] dada pela Equao 2.2, em que B [T] a

densidade de fluxo magntico e H [A/m] a densidade de campo magntico

HBU

2

1 (2.6)

A densidade de fluxo magntico na ausncia de objecto ferromagntico :

HB

00 (2.7)

Onde 0 = 410-7

[H/m] a permeabilidade magntica do vazio

A densidade de fluxo magntico do objecto ferromagntico :

HB r

00 (2.8)

Onde r a permeabilidade relativa do material ferromagntico.

O valor da permeabilidade magntica relativa depende do material e da forma do objecto,

existindo grandes variaes do valor dependendo da forma do objecto. Um objecto com forma

cilndrica e comprida em ferro pode ter permeabilidade relativa mil vezes maior que de uma

esfera do mesmo material. Para uma esfera, o valor da permeabilidade relativa igual a 3.

Assim, substitudo valores na Equao 2.1, vem que:

VHHHHFmag

002

13

2

1

2

0

0

2

0 BV

VHFmag

dr

dBB

VFmag

00

0

2

(2.5)

22

Note-se que, de acordo com a Equao 2.5, para que uma partcula de ferro fique sujeita a

uma fora magntica, necessrio que a derivado do campo magntico em ordem ao espao no

seja nula.

2.11.4 EFEITO HALL

Existem vrios mtodos para a medio do campo magntico, baseados em diferentes

tecnologias, com diferentes princpios fsicos. A medio dos campos pode ser divida em duas

partes: os sensores que medem campos magnticos de baixa intensidade (< 1 mT) e os de alta

intensidade ( > 1 mT). Ainda se podem dividir em componente vectorial ou intensidade escalar

como se apresenta na Figura 2.9 [31].

Figura 2.9 - Categorias de sensores para a medio do campo magntico.

O uso de sensores de efeito Hall o mtodo mais antigo e o mais comummente utilizado na

medio de campos de alta intensidade, sendo especialmente til para medio de campos

magnticos acima dos 1T. O efeito Hall foi descoberto por Edwin Hall em 1879, ficando com o

seu nome associado ao mtodo. O efeito de Hall caracterizado por um sensor no plano XY,

onde existe uma corrente e uma diferena de potencial elctrica conhecida na direco X, que ao

ser sujeita a um campo magntico na direco perpendicular ao plano, origina uma diferena de

potencial na direco Y, devido ao desvio da trajectria dos electres [32]. A medio desta

diferena de potencial ser ento a intensidade do campo, que aps converso apresentada em

Tesla ou Gauss (1 mT = 10 Gauss), unidades de intensidade do fluxo do campo magntico.

23

Figura 2.10 - Efeito Hall.

2.12 CAMPO ELCTRICO

Um campo elctrico um campo de fora gerado por cargas elctricas. Este campo

vectorial e a intensidade do campo a razo entre a fora elctrica F [N] e a carga de prova

q [C].

q

FE

(2.6)

A fora resultante a combinao de vrios vectores, pois as partculas interagem aos

pares independentemente umas das outras. Considerando a fora exercida sobre a partcula i

por j:

nikijiresi FFFF ,,,,

(2.7)

O campo elctrico pode ser definido por linhas imaginrias tangentes, com a mesma

orientao do vector campo elctrico em cada ponto. O sentido sempre das cargas positivas

para as negativas. A densidade das linhas de campo elctrico por unidade de rea proporcional

ao mdulo do campo elctrico. Assim, nas zonas onde a densidade maior, a intensidade do

campo maior, enquanto nas zonas com menos densidade o campo menor.

Num campo elctrico uniforme, todos os pontos possuem o mesmo vector campo elctrico

(intensidade, direco e sentido). As linhas de campo so ento paralelas e equidistantes umas

das outras. O campo elctrico pode ser gerado pela colocao de duas placas planas, paralelas e

prximas com cargas opostas e de igual intensidade.

24

Figura 2.11 - Campo elctrico uniforme.

A Lei de Gauss, juntamente com a Lei de Induo de Faraday, Lei de Gauss do Magnetismo

e Lei de Ampre, formam as quatro equaes de Maxwell que, em conjunto, com a Lei da Fora

de Lorentz, compem o electromagnetismo clssico [32].

A Lei de Gauss relaciona o fluxo elctrico que passa atravs de uma superfcie fechada com

as cargas elctricas que se encontram superfcie. A equao representada na forma integral

por:

0

qAdEE

(2.8)

A carga envolvida pela superfcie gaussiana denominada por q [C]. O fluxo que a atravessa

tem uma intensidade E [V/m] uniforme e os vectores so paralelos entre si. Deste modo,

simplifica-se a equao anterior, em que q [C] a carga elctrica, 0 [F/m] a permissividade

elctrica do vcuo, E [V/m] o campo elctrico e A [m2] corresponde rea:

AEq 0 (2.9)

A diferena de potencial entre as duas placas do condensador dada por:

f

i

if sdEVV

(2.10)

Se o percurso da linha de campo elctrico for da placa negativa para a positiva, os vectores

tm a mesma direco, embora com sentidos opostos. Assim, a equao pode ser

representada por:

sdEV

(2.11)

Resolvendo o integral da Equao 2.11, obtm-se a Equao 2.12, em que E [V/m] o

campo elctrico, V [V] a diferena de potencial e d [m] corresponde distncia entre as

placas.

25

d

VEdEdsEV

(2.12)

2.12.1 POTENCIAL DO CAMPO ELCTRICO

No caso do condensador de placas planas paralelas possvel desenhar as linhas de campo

para obter a intensidade do campo num ponto. Considerando as placas A e B, em que A tem

potencial positivo V+ e B potencial negativo V

-, um campo elctrico gerado entre as placas, no

qual a sua intensidade depende da diferena de potencial entre as placas, bem como a distncia

entre elas. A diferena de potencial entre as placas varia linearmente de uma placa para outra.

As linhas equipotenciais so linhas que unem pontos de igual potencial conforme-se representa

na Figura 2.12 a tracejado [28].

Figura 2.12 - Linhas do campo elctrico.

2.12.2 SENSOR CAMPO ELCTRICO

O campo elctrico atmosfrico tem sido estudado h j alguns sculos, tendo sido criados

vrios equipamentos para a medio do campo elctrico desde a terra at altitude em estudo,

para efeitos de meteorologia, inclusivamente fenmenos como trovoada [33].

Em 2010 foi reportado por K. Joahansson et al. [34] estudos para aprofundar o conhecimento

sobre o campo elctrico resultante das linhas de alta tenso da rede de distribuio elctrica.

Existe um grande interesse em aumentar o nvel de voltagem da rede, uma vez que deste modo

possvel reduzir o nmero de linhas de distribuio para cidades [34].

O primeiro aparelho construdo e o mais frequentemente empregue o field mill,

apresentado na Figura 2.13 [8].

26

Figura 2.13 - Field mill [33].

O campo elctrico induz uma carga na superfcie superior do dispositivo. Com a rotao do

sensor, a carga presente na superfcie superior do dispositivo exposta alternadamente, gerando

uma corrente alternada entre o sensor e o ground que pode ser medida. A intensidade da

corrente pode ser relacionada com a carga, que por sua vez est relacionada com o campo

elctrico ou com a velocidade de rotao do sensor. Com este mtodo no possvel obter a

direco do campo, porque mede apenas a componente normal ao dispositivo.

No artigo de K. Joahansson et al. [34] referido a construo de uma sonda com 20 mm de

dimetro e capacidade de medir campos at 2x103 V/mm, detectando campos a partir dos 10

V/mm. A preciso do dispositivo deve atingir os 5% com campos elctricos na ordem dos

500 V/mm. Na Figura 2.14 apresenta-se o aparato laboratorial do ensaio e a sonda de campo

elctrico.

a) b)

Figura 2.14 - Sonda campo elctrico: a) Aparato laboratorial do ensaio b) Vista de pormenor da

sonda de campo elctrico.

Este dispositivo foi usado em testes com campo elctrico esttico, gerado por duas placas

planas paralelas, para aumentar o conhecimento da intensidade do campo no espao. Apesar do

27

equipamento ter validado os pressupostos, foi considerado como prottipo, precisando de

melhorias no que se refere robustez e facilidade de operao.

29

3. DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL

3.1 INTRODUO

No captulo 3 descreve-se o desenvolvimento e produo de novo equipamento dedicado aos

END utilizando clulas bacterianas. Foram produzidos dois novos equipamentos: um baseado

em solenides ( 3.2) e outro baseado em manes permanentes ( 3.3). Alterou-se o

equipamento para remoo das bactrias ( 3.4). Realizou-se a instrumentao ( 3.5) e

caracterizao dos campos magnticos nos diferentes equipamentos dedicados ( 3.6).

30

3.2 DESENVOLVIMENTO DE EQUIPAMENTO DEDICADO PARA

APLICAO DE CAMPO MAGNTICO TRIAXIAL

3.2.1 IDENTIFICAO DOS REQUISITOS FUNCIONAIS

O principal objectivo da concepo de um equipamento dedicado para o END com clulas

bacterianas promover o movimento das bactrias durante a fase de penetrao nos defeitos da

pea a inspeccionar.

No trabalho realizado por Bruno Mateus [2] foram produzidos vrios equipamentos para

criao de campo elctrico horizontal e vertical, campo magntico com rotao num plano e

campo magntico vertical e horizontal. Com o aprofundamento da tcnica e a necessidade de

explorar melhor o seu potencial, definiu-se uma nova variante com um campo magntico

triaxial.

Como um dos pilares do desenvolvimento desta nova tcnica passa por criar equipamento de

inspeco no campo, isto significa que no se pretende criar uma tcnica muito complexa, que

s possa ser aplicada em ambiente laboratorial. A mobilidade e facilidade de utilizao so

requisitos importantes. Pretende-se que haja compatibilidade de software entre os diferentes

equipamentos existentes e os futuros, da que todos os equipamentos devem partilhar a mesma

base de programao e equipamento de aplicao de corrente. Apresenta-se na Tabela 3.1 os

principais requisitos funcionais que o equipamento dedicado para o END utilizando clulas

bacterianas deve apresentar.

Tabela 3.1 - Requisitos equipamento dedicado campo magntico triaxial.

Requisitos Comentrio

1 Aplicao de campo

magntico triaxial no provete

Ao aplicar campo magntico triaxial possvel

promover a mobilidade e a penetrao das clulas

bacterianas no defeito em simultneo

2

Variao da intensidade,

frequncia e tempo de

exposio do provete ao

campo.

Variando os parmetros de excitao do campo

possvel optimizar as condies de mobilidade para

cada provete e bactria

3 Fixao do provete de forma

rpida e expedita

O provete deve ser facilmente fixo, independentemente

do seu material, forma e dimenso.

4 Garantir a portabilidade do

equipamento

Para aumentar as potencialidades do mtodo em relao

a outras tcnicas de visualizao, como o microscpio,

as dimenses e o peso devem ser baixos.

5 Automatizao do processo

de inspeco

O equipamento deve ser accionado e movimentado por

computador, de forma a garantir a reprodutibilidade dos

ensaios.

6

Compatibilidade de

hardware de aplicao de

corrente

A excitao do novo equipamento dedicado deve

utilizar o hardware de aplicao de corrente dos

equipamentos dedicados anteriormente desenvolvidos

7 Equipamento com baixo custo

O equipamento deve apresentar solues fceis para a

produo e manuteno do mesmo nas oficinas da

Faculdade

31

3.2.2 CONCEPO DO EQUIPAMENTO

Para criar um campo magntico triaxial pode gerar-se um campo magntico com rotao

num plano e fazer esse mesmo plano rodar. O campo magntico num plano conseguido com a

utilizao de um estator de um motor passo-a-passo que, ao ser excitado como em

funcionamento normal, cria diferentes direces do campo magntico no plano do estator.

Acoplando o estator a um veio possvel impor rotao ao plano onde produzido o campo

magntico. Desta forma so criados dois parmetros importantes: a velocidade de rotao

mecnica do estator do motor e a frequncia do campo magntico produzido pelo estator, que

dependente da sua frequncia de excitao. Estes parmetros so controlados atravs da

interface criada em LabviewTM

.

Para que o conceito descrito anteriormente funcione, necessrio criar um suporte para a

colocao dos provetes no centro do estator, mas este tem de estar desacoplado da rotao

imposta ao estator para que no rode com o movimento do estator. Para isso indispensvel que

o suporte tenha os seus apoios perfeitamente alinhados com o eixo de rotao do estator e com

grau de liberdade nesse mesmo eixo.

Devido ao movimento de rotao do veio, a alimentao elctrica do estator constitui uma

dificuldade acrescida ao mecanismo. Os fios necessitam de ter grau de liberdade para rotao no

eixo do veio e, para que isso seja vivel, preciso usar um sistema casquilho-escova. Este

sistema cria uma rea de contacto que transmite a corrente elctrica e permite, simultaneamente,

a rotao do eixo do veio.

3.2.3 PROPOSTA DE EQUIPAMENTO DEDICAPO PARA APLICAO DE

CAMPO MAGNTICO TRIAXIAL

O equipamento dedicado para aplicao de campo magntico triaxial foi desenhado em

software de modelao (SOLIDWORKSTM

), permitindo um acompanhamento visual durante a

sua concepo, identificando-se possveis problemas de funcionamento.

A soluo do equipamento encontrada para o equipamento dedicado para aplicao de

campo magntico triax