MODELAGEM DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE FILMES...

MODELAGEM DO PROCESSO DE

PRODUÇÃO DE FILMES FINOS DE

CARBONO TIPO DIAMANTE (DLC )

COMO FERRAMENTA DE SUPORTE A

TOMADA DE DECISÃO APLICADO

NUM SISTEMA DE CONTROLE

CONSIDERANDO A PRODUÇÃO

SUSTENTÁVEL.

Joao Thiago de Guimaraes Anchieta e Araujo Campos (UESC )

[email protected]

Robson Marinho da Silva (UESC )

[email protected]

Andre Gustavo de Guimaraes Anchieta de A. Campos (UFMG )

[email protected]

FRANCODANI RICO AMADO (UESC )

[email protected]

Danilo Maciel Barquete (UESC )

[email protected]

Este estudo tem como objetivo modelar o processo produtivo na etapa

de desenvolvimento de filmes feitos de Carbono-Tipo Diamante

utilizando o método PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor

Deposition - Deposição Química na fase Vapor assistidda por Plasma)

para identificar de forma sistêmica os pontos de melhoria na cadeia

produtiva considerando a sustentabilidade com o uso de ferramentas

de mapeamento e modelagem de processos utilizando rede de Petri.

Auxiliado por um método de desenvolvimento de produto, foi realizado

um estudo do produto e desenvolvido um mapa de processos utilizando

a ferramenta rede de Petri como forma de visualização dos processos e

sistemas de controle. O uso dessas ferramentas associado à etapa de

projeto do produto permitiu identificar situações críticas de gargalos,

sistemas inoperantes e fluxos simultâneos assim como analisar os

pontos de ganho de valor ao produto. Com base nas matrizes de

entrada e saída de fluxo, foi feita uma análise pontual de cada

transição resultando no mapa de processos.

Palavras-chaves: Carbono Tipo Diamante, PECVD, Redes de Petri,

Mapa de processos, Controle sustentável

1. Introdução

A alta competitividade das organizações e a interação entre os blocos econômicos

1.

XXXIII ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO A Gestão dos Processos de Produção e as Parcerias Globais para o Desenvolvimento Sustentável dos Sistemas Produtivos

Salvador, BA, Brasil, 08 a 11 de outubro de 2013.



2

mundiais exigem apurado controle da qualidade de produção, assim como a busca por

produtos que utilizem alta tecnologia e sejam acessíveis aos consumidores. Isto exige que as

grandes indústrias de produtos eletrônicos busquem formas para atrair o consumidor e, em

paralelo, reduzir os seus custos de produção através, por exemplo, da utilização de materiais

mais baratos e, ao mesmo tempo, sustentáveis o que pode, de algum modo, diminuir o tempo

de vida dos produtos. Mas, por outro lado, o consumidor está cada vez mais exigente perante

aos valores que são agregados aos novos produtos (SILVA; MYIAGI; SANTOS, 2011;

WEINDAHL, 2008). Assim, a inovação no desenvolvimento de produtos eletro-eletrônicos

torna-se cada vez mais complexa devido ao aumento da concorrência no mercado, acesso às

novas tecnologias e exigências do consumidor. Além disso, as empresas devem criar

vantagens competitivas inovando seus produtos e considerando a combinação de requisitos

conflitantes de sustentabilidade e custo. Portanto, criam-se novos desafios para os engenheiros

e demais envolvidos no projeto de produtos. Ou seja, se por um lado alguns materiais geram

descarte rápido, por outro lado, isto gera necessidades de prover rápida substituição devido ao

menor ciclo de vida do produto e desenvolvimentos de novos métodos e tecnologias para

agregar valor ao produto na área de projetos e considerando a sustentabilidade pelos

pesquisadores e profissionais.

Atualmente, o material mais utilizado no mercado de eletro-eletrônicos é o material

metálico, devido, principalmente, a sua facilidade de condução elétrica e relativa facilidade de

usinabilidade. Porém, os materiais metálicos são altamente corrosivos, sendo esta propriedade

um dos principais motivos de descarte desses produtos, visto que um alto grau de corrosão

diminui consideravelmente sua condutibilidade elétrica (MARCUS; MAURICE, 1967). Surge

então a necessidade de encontrar meios que inibam a corrosão dos metais utilizados na

produção de eletro-eletrônicos, aumentando assim sua vida útil. Uma das formas de diminuir

a corrosão é através do revestimento do metal com outros tipos de materiais que inibem a

corrosão e melhoram outras propriedades de acordo com o seu uso e sua necessidade.

Neste sentido, observa-se que pesquisas realizadas em materiais carbonosos,

especificamente o diamond-like carbon (DLC) permitem identificar propriedades de grande

utilidade para a indústria de eletro-eletrônicos. Entre as propriedades que tem sido bastante

divulgada na comunidade científica, tem-se as características de anti-corrosão, o baixo

coeficiente de atrito e a resistência à abrasão (RADY, 2008). Este material inovador permite a



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melhoria funcional de equipamentos eletrônicos, além de uma maior preservação do mesmo

evitando seu descarte e, conseqüentemente, a preservação ambiental.

Para melhor compreensão em relação ao uso do DLC, é necessário ter uma visão geral

sobre os equipamentos e processos produtivos envolvidos. A visualização dos processos

produtivos pode ser feita por meio de técnicas de mapeamento e modelagem de processos,

como a técnica de redes de Petri (RdP) (MURATA, 1989; FIGUEIREDO; CAMPOS;

SILVA, 2012). A característica principal da RdP é a sua fácil representação de processos e

fluxos, sendo uma ferramenta formal e gráfica de modelagem de sistemas complexos. Ela

permite estudar sistemas de produção e seus subsistemas envolvendo vários processos

produtivos os quais executam operações em paralelo, compartilhando informações e recursos,

e ao mesmo tempo garantindo uma sistemática no desenvolvimento de projetos (SILVA;

MYIAGI; SANTOS, 2011).

Desse modo, é importante explorar o potencial das técnicas de modelagem no

mapeamento do processo produtivo de proteção de materiais metálicos utilizados em produtos

eletro-eletrônicos através da tecnologia inovadora de revestimento com DLC. A produção de

filmes finos é caracterizada pelo alto consumo de energia e desperdício de gases reagentes.

Portanto, inicialmente este estudo analisa todo o processo de fabricação de filmes finos de

DLC e suas propriedades tanto para esta aplicação como para aplicação em produtos

similares. Em seguida, o mapeamento e a análise da cadeia produtiva de crescimento de

filmes finos de DLC é apresentado para a compreensão da dinâmica da linha de produção e

destaque dos fatores que agregam valor ao produto, bem como para a identificação de pontos

críticos, i.e., gargalos que podem causar redução de produtividade,o que interfere diretamente

no adequado uso de recursos para a produção destes filmes finos. Ou seja, esta contribuição

utiliza da técnica redes de Petri no controle do processo produtivo de produtos inovadores

considerando a sustentabilidade, pois o uso adequado de recursos, técnicas e tecnologias

inovadoras, como o revestimento com DLC, evitam desperdícios e agregam valor no

desenvolvimento de produtos, o que por outro lado, auxilia na gestão da produção sustentável

deste tipo de sistema.

2. Revisão Bibliográfica

2.1. Carbono-Tipo Diamante



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As propriedades do diamante são reconhecidas há muito tempo. Além do alto grau de

dureza, as suas propriedades de alta condutibilidade térmica, baixo coeficiente de atrito e

resistência à corrosão, o diamante tem também utilidade devido a inúmeras outras

propriedades. Os esforços para a produção de diamante sintético vêm sendo realizados desde

os anos 50. Sabe-se que o diamante é composto de carbono com sua estrutura eletrônica 100%

de ligações sp3. Com o tempo, foram desenvolvidos diversos métodos de criação de diamantes

sintéticos, com novas estruturas cristalinas que caracterizam o carbono amorfo. Ele é definido

pela quantidade de ligações com o hidrogênio e os tipos de ligações, sendo que quanto menos

hidrogênio ligado ao átomo de carbono, suas propriedades se tornam mais parecidas com a do

diamante. De acordo com o diagrama ternário de fases proposto por Robertson (2002)

ilustrados nas Figuras 1 e 2, é possível identificar as diferentes fases do carbono amorfo e sua

concentração de hidrogênio e ligações sp2 e sp

3. Os tipos de ligações “sp" caracterizam o

carbono pela sua forma no espaço. Carbonos com ligações sp3 possuem a forma tetraédrica e

aqueles com ligações sp2 possuem a forma trigonal planar:

Figura 1 - Estruturas do carbono de acordo com os tipos de ligações sp, sp2 e sp

3.

Fonte: Rady, 2008.

Figura 2 - Diagrama ternário de fases proposto por Robertson em 1998



5

Fonte: Rady, 2008.

Observa-se que existe uma relação entre os tipos de ligações sp2, sp

3 e a quantidade de

hidrogênio ligada ao carbono. Um diamante possui 100% de ligações sp3, tipo de ligação

conhecida como “taC” (carbono tetragonal), termo usado para designar o carbono não

hidrogenado (somente ligações sp3). Os tipos de ligações e quantidade de hidrogênio variam

de acordo com o método de deposição usado para o crescimento de filmes. Cada tipo de

carbono amorfo possuem diferentes propriedades e características. As diferentes propriedades

são definidas de acordo com a Tabela 1:

Tabela 1 - Propriedades do carbono amorfo



6

Fonte: Rady, 2008.

Pode-se observar na Tabela 1 que a relação entre a porcentagem de hidrogênio e tipos

de ligações sp3 influencia diretamente nas propriedades do carbono amorfo.

Entre outras propriedades, a resistência à abrasão e o pequeno coeficiente de atrito

tornou o DLC amplamente utilizado na indústria automotiva, biomédica, odontológica e

difundido na comunidade acadêmica como forma de pesquisa e desenvolvimento de novos

produtos.

Na indústria automotiva, o carbono tipo diamante é usado principalmente devido a

sua propriedade de baixo coeficiente de atrito. O atrito é o principal responsável pelo desgaste

de peças automotivas como pistões, engrenagens, eixos e afins. O uso do revestimento de

DLC diminui a fricção entre componentes dessas peças, gerando benefícios ao usuário. Peças

revestidas se tornam mais resistentes que, conseqüentemente, obtém maior tempo de vida em

comparação com outros tipos de revestimentos. Entre as peças expostas a um alto grau de

fricção, aquelas revestidas com este material também diminuem seu desgaste colaborando

para o aumento da vida útil. Logo, os custos de manutenção para o usuário é reduzido

consideravelmente o que torna o automóvel de melhor qualidade perante o consumidor. Deve-

se considerar todos os custos gerados para a produção de um novo produto. De acordo com

Juran (1998), a redução de custos aumenta a qualidade do produto já que diminui, entre



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outros, o desperdício ou aumenta a satisfação do cliente. O revestimento de materiais

metálicos reduzem os custos e aumentam o tempo de vida do produto e, conseqüentemente,

melhorando a qualidade da peça revestida.

A redução de atrito também é utilizada para aumentar a eficiência de motores e a

redução do consumo de combustíveis. Engrenagens e pistões revestidos com DLC diminuem

consideravelmente o atrito durante o funcionamento do motor. Essa redução diminui o

consumo de combustível pelo automóvel e colabora para a redução da taxa de emissão de

óxidos de carbono na atmosfera, tornando o veículo menos poluente.

Além do baixo coeficiente de atrito, a resistência à corrosão também é de grande valia

para a indústria automobilística. As ligas metálicas utilizadas na fabricação de carrocerias

assim como nas peças de motores, marchas e outros componentes são altamente afetadas pela

reação química com o ar e a água. A proteção por meio do revestimento de DLC protege os

automóveis dessa reação corrosiva de forma que aumenta sua vida útil além de manter o bom

funcionamento dos componentes eletrônicos e mecânicos.

2.1.1. Método de deposição

Entre os métodos existentes para deposição de filmes de DLC, são destacados os mais

utilizados como deposição iônica, por laser pulsado, por plasma, sputtering e arco catódico

(ROBERTSON, 2002; TRAVA-AIROLDI; BONETTI; CAPOTE; RADY; CORAT, 2007a,

2007b). Este trabalho foca no método de deposição química na fase vapor assistida por

plasma (PECVD – plasma enhanced chemical vapor deposition) devido as suas características

de deposição e viabilidade dos equipamentos e componentes envolvidos.

A PECVD é um processo usado para depositar carbonos amorfos provenientes da

reação de dois gases sobre um sólido (substrato). Essa reação química ocorre devido ao uso

do plasma que ioniza os gases em reação. O plasma é a ionização de partículas que provoca a

separação de suas ligações moleculares.

O PECVD utiliza de energia elétrica para a criação desse plasma. As moléculas dos

gases envolvidos se dissociam, formando novas moléculas que são depositadas no substrato.

A descarga elétrica é formada por 2 eletrodos: um menor, geralmente o catodo, é diretamente



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conectado a uma fonte de radio freqüência. O segundo, o anodo, é formado pela parede da

câmara. A descarga pela radio freqüência produz o plasma que, por sua vez, inicia a reação

nos gases envolvidos, “quebrando” as moléculas e ionizando os átomos. O substrato (material

que será depositado o DLC) é colocado sobre o catodo, e este refrigerado por água.

2.2. Redes de Petri

Além do mapeamento de processos, é possível modelar as leis da física, química e

matemática utilizando técnicas e suas ferramentas de modelagem. O modelo é uma descrição

de um sistema por meio de equações e relações matemáticas. As redes de Petri (RdP) foram

criadas por Carl Adam Petri, objetivando a modelagem de sistemas com componentes

concorrentes. As suas primeiras aplicações ocorreram em 1968 (MURATA, 1989).

A característica principal da RdP é a sua fácil representação de processos e fluxos.

Uma rede de Petri é uma ferramenta gráfica de modelagem de sistemas complexos. Ela

permite estudar sistemas compostos e subsistemas de funcionamento paralelo, compartilhando

informações e recursos.

Existe uma representação gráfica da RdP que é composta de 2 elementos principais, os

lugares e as transições (termos relacionados a RdP são destacados em Arial). Os lugares

são representados por círculos e as transições por barras, como pode ser visto na Figura 3.

Os lugares e as transições são conectados por arcos orientados de um lugar para uma

transição ou de uma transição para um lugar. Em outras palavras, uma RdP é um grafo

bipartido. Outro elemento gráfico da RdP é a marca que é representada cada uma por

pequenos pontos sólidos dentro dos círculos que representam os lugares.

Figura 3 - Representação gráfica de uma Rede de Petri



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Quando há transição de um estado para o outro, o retângulo representado assinala

uma ação, ou seja, uma mudança de estado que é definido no estado posterior do processo.

Essa ação é definida por meio de uma marca que flui de um estado para outro, devido ao

disparo de uma transição, representando o atendimento à execução de uma ação.

A rede de Petri permite descrever o paralelismo (dois processos independentes), a

competição por um recurso, a escolha entre várias alternativas e a sincronização dos

processos. De acordo com Cardoso & Valette (1997): “a evolução dos processos num sistema

pode se dar de forma simultânea ou não. Se esta se dá de forma simultânea, os processos

podem ser completamente independentes ou relativamente independentes”. Logo, o autor

define os tipos de interdependência possíveis numa RdP, que são as interações entre os

processos. Esta interação é dividida em 4 categorias: cooperação, competição, pseudo-

paralelismo e paralelismo verdadeiro.

As RdP permitem identificar situações únicas durante o processo. Essas situações são

características a todos os processos e seu entendimento permite facilitar as mudanças no

processo com o objetivo de melhoria e/ou correção (REISIG, 1989). Essa relação é chamada

de interação entre processos e são divididos em: seqüência, divisão, junção, caminhos

alternativos, repetição e compartilhamento de recursos (Figuras 4 e 5).

Figura 4 – Exemplos de (a) divisão e (b) junção

Figura 5 - Exemplo compartilhamento de recurso



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3. Método

Este estudo visa aplicar a técnica de RdP seguindo o método proposto por Campos &

Silva (2012), onde todo e qualquer processo pode ser representado e modelado pela RdP.

Assim, para a representação em RdP é necessário seguir 3 etapas:

Etapa 1: definir uma lista de condições e ações da RdP;

Etapa 2:- criar matrizes de entrada e de saída para representar as relações entre

transições e estados.;

Etapa 3:- representar graficamente uma RdP para cada transição, unindo todos os modelos

em RdPs através das transição em uma RdP completa, que represente todo o sistema

modelado, na qual deve-se definir a sua marcação inicial.

Num exemplo de ligar e desligar uma lâmpada, as Tabelas 2 a 4 e a Figura 6

representam cada uma das etapas listada:

Tabela 2 – Lista de condições e ações do processo de ligar/desligar lâmpada.

Tabela 3 – Matrizes de Entrada (a) e Saída (b).



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Figura 6 – Rede de Petri final após união.

4. Resultados

Existem diversos métodos de desenvolvimento de revestimento de DLC, sendo que

entre os estudados foi escolhido o PEVCD devido a sua grande utilização dentre os produtos

já existentes atualmente no mercado brasileiro.

O atual estudo é de mapear o processo produtivo dos filmes de revestimento. Para isso,

é necessário ter uma visão geral sobre os equipamentos e processos envolvidos, como ilustra a

Figura 7.

Figura 7 – Esquema dos equipamentos no processo de crescimento de DLC usando PECVD (Plasma-Enhanced

Chemical Vapor Deposition)



12

Os equipamentos listados são necessários para desenvolver os filmes que serão usados

como revestimento. O processo produtivo ocorre dentro da câmara, sendo o foco deste

trabalho. A visão geral dos equipamentos utilizados neste processo permite fazer o

mapeamento do processo assim como realizar sua simulação.

A ferramenta de mapeamento, modelagem e simulação utilizada é a rede de Petri. Para a

criação de uma rede de Petri é necessário seguir 3 etapas distintas. (vide Tabelas 2 e 3 e a

Figura 6). Entre as variações de processos produtivos existentes na literatura, esta modelagem

foi realizada com base no processo geral, ou seja, aplicável a todos os processos e seus sub-

processos das diversas variações da produção de DLC com o método PECVD. Seguindo as

etapas do método proposto, tem-se sua aplicação neste processo descrito e ilustrado entre as

Tabelas 4 e 5 e as Figuras 8 e 12.

Tabela 1 - Condições e ações do macro processo

Macro Processo

Ações Condições

T 0 Iniciar Limpeza P 0 Estado Inicial

P 1 Aguardando Limpeza

P 2 Câmara Limpa

T 1 Finalizar Limpeza P 3 Câmara c/ Substrato



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T 2 Inserir Substrato P 4 Aguardando Refrigeração

T 3 Ligar Refrigeração P 5 Câmara Refrigerada

T 4 Refrigerando Câmara P 6 Câmara com Vácuo

T 5 Criar Vácuo

T 6 Inserir Gases

T 7 Regular Temperatura P 7 Câmara com os gases

T 78 Regulando Temperatura P 78 Aguardando temperatura

P 8 Temperatura Regulada

T 10 Iniciar PECVD

T 11 Iniciar Limpeza P 11 Desligar PECVD

T 12 Finalizar Limpeza P 13 Câmara Limpa

T 13 Controlando Temperatura P 14 Temperatura Controlada

T 1314 Regulando Temperatura P 1314 Aguardando temperatura

T 14 Retirando Substrato P 15 Retirar Substrato

Tabela 5 – Matrizes de entrada e saída do macro processo

Matriz de Entrada

Matriz de Saída

T/P 25 27 30

T/P 22 25 28 20

1 1 0 0

0 1 0 0 0

4 0 1 0

3 0 1 0 0

12 1 0 0

7 0 0 1 0

13 0 0 1

10 0 0 0 1

14 0 0 0

11 1 0 0 0

78 0 0 1

13 0 0 1 0

Figura 8 – Representação RdP das transições T0, T1 e T2

Figura 9– Representação RdP das transições T3, T4 e T5




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Logo, aplicando a RdP em todo o macro-processo foi possível determinar os pontos de

controle das variáveis controláveis no processo de crescimento de filmes finos por PECVD

como ilustrado na Figura 13:

Figura 13 – Mapa de processos da deposição e crescimento de filmes



15

Entre os resultados apresentados pela rede de Petri e suas matrizes de entrada e saída,

é possível identificar os pontos de gargalos analisando cada transição da rede de Petri

ilustrada na Figura 13. Uma transição ocorre somente quando todos os lugares precedentes

foram atendidos e a condição posterior esteja livre. Quanto mais condições ligadas a



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transição mais possibilidade de ocorrer um gargalo. Observando cada transição, pode-se

definir que os pontos de gargalos críticos são: T17, T19 e T21. Pois de acordo com suas

matrizes de entrada e saída, são transições com mais ligações. É possível também

visualizar os pontos de gargalos de produção executando a simulação do macro processo.

Essa visualização permite identificar quais processos que são executados simultaneamente e

suas interdependências. Neste trabalho foi utilizado o software HPSIM para editar e simular o

modelo em RdP e identificar os possíveis gargalos de produção.

5. Considerações Finais

O uso do carbono amorfo, ou DLC, tem sido considerado pelos pesquisadores como

uma tecnologia de ponta. O baixo coeficiente de atrito, a sua resistência à ação corrosiva e à

abrasão são propriedades que podem ser altamente aproveitadas no mercado atual. Existem

diversos métodos para o desenvolvimento desses produtos, sendo que cada método é

característico de cada tipo de material que será revestido devido principalmente à temperatura

em que é feita a deposição do filme sobre o substrato. Enquanto a etapa principal da criação

do revestimento acontece em reações químicas de gases, é necessário compreender o processo

num todo e assim identificar quais situações que estão controlando a deposição e crescimento

desses filmes. Na literatura atual é muito difícil encontrar estudos sobre os tipos de processos

e variáveis envolvidas no uso de DLC.

O uso da rede de Petri (RdP) facilita a modelagem e, conseqüentemente, a gestão dos

sistemas de produção devido a identificação dos principais estados e ações do processo

produtivo, através de correlação destes com os elementos da RdP (transições, marcas e

lugares ou condições) e da visualização da evolução dinâmica dos mesmos. Desse modo,

essa técnica permite visualizar todas as transições no processo assim como os sub-processos e

sistemas existentes. A relação entre transições e condições é de grande valia para a

identificação de problemas na cadeia produtiva. De forma clara e objetiva foi possível

identificar situações de gargalos, sistemas de controles e todos os sub-processos que realizam

tarefas de forma simultânea para atingir o resultado esperado. Os modelos propostos são

desenvolvidos em softwares que permitem a edição e simulação de RdP, permitindo analisar

formalmente as boas propriedades de redes de Petri, e assim analisar e validar os modelos



17

propostos, permitindo identificar os pontos críticos de produção desde a fase de abstração à

fase de modelagem do processo produtivo de crescimento de filmes finos de DLC.

Por outro lado, através do mapeamento e definição das etapas de produção do

revestimento de DLC, profissionais de áreas afins podem utilizar o modelo para inserir as

variáveis necessárias para projetos específicos. Portanto, é interessante ressaltar que os

resultados obtidos nesse trabalho também podem ser expandidos para o uso em diversas áreas.

Além disso, os processos mapeados com os elementos dos modelos em RdP podem ser

interligados aos dispositivos físicos envolvidos no controle, e isto através de desenvolvimento

de softwares que pode permitir a supervisão da operação em tempo real dos processos

produtivos.

6. Referências Bibliográficas

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de Produção – SIMPEP, Bauru, 2012.

JURAN, J. M. Juran’s Quality Handbook. McGraw-Hill. 5th

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MURATA, T. Petri nets: properties, analysis and applications. Proceedings of the IEEE, vol. 77, n.4, pp.

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RADY, P. A. Estudos de Fenômenos Tribológicos em Materiais Carbonosos. Instituto de Pesquisas Espaciais

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REISIG, W. Petri Nets an Introduction. Springer Verlag, New York, 1985.

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TRAVA-AIROLDI, V.J.,; BONETTI, L.F.; CAPOTE, G.; SANTOS, L.V.; CORAT, E.J. A comparison of

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TRAVA-AIROLDI, V.J.; SANTOS, L.V.; BONETTI, L.F.; CAPOTE, G.; RADI, P.A.; CORAT, E.J.

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WIENDAHL, H. Betriebsorganisation fur Ingenieure, Hanser Verlag., 2008.

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