Projeto e fabricação de calotas semiesféricas piezocerâmicas para aplicação em hidrofones

• Autor(a) principal: Morais, Mateus Mota
• Data de Publicação: 2020
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18163/tde-06062022-104420/
• topic: Cerâmica piezoelétrica; Elementos Finitos; Finite Elements; Green machining; Hidrofone; Hydrophone; Isostatic pressing; Piezoelectric ceramic; Prensagem isostática; Usinagem a verde

Hidrofones são sensores que convertem a energia das vibrações acústicas subaquáticas em sinal elétrico. Apesar de terem diversas aplicações civis e militares estratégicas, atualmente, hidrofones não são produzidos no Brasil em caráter comercial. Além disso, são de difícil importação quando fornecedores estrangeiros pressupõem uma potencial aplicação militar. Com o objetivo de colaborar com o Instituto de Pesquisa da Marinha (IPqM) no desenvolvimento de hidrofones nacionais que empreguem piezocerâmicas esféricas, este trabalho apresenta o desenvolvimento da fabricação de semiesferas de Titanato Zirconato de Chumbo (PZT) através de prensagem isostática seguida de usinagem a verde. O IPqM definiu como requisitos de projeto: diâmetro externo 100 ± 0,8 ua; espessura 5,9 ± 0,4 ua e densidade alta e homogênea (> 95%). Foi projetado e manufaturado um molde preliminar para prensagem isostática das calotas com 200 MPa. As calotas foram usinadas a verde em uma bancada de usinagem abrasiva CNC. Devido à fina espessura da parede em relação ao diâmetro, havia grande potencial de que gradientes de densidade na peça compactada introduzissem deformações críticas durante a sinterização. Portanto, o processo de prensagem foi simulado pelo método de elementos finitos no software ABAQUS utilizando o modelo constitutivo Drucker-Prager/cap calibrado experimentalmente para o pó de PZT. A simulação previu com grande acurácia as dimensões e a densidade das peças prensadas e auxiliou na execução de um projeto otimizado do molde. As calotas foram sinterizadas e analisadas no IPqM quanto às dimensões, composição química e microestrutura resultante. Com os dados obtidos, um segundo molde para a prensagem foi fabricado com as dimensões corrigidas. As semiesferas produzidas na segunda versão do molde apresentaram precisão dimensional (diâmetro 99,6 ± 0,2 ua e espessura 5,7 ± 0,1 ua) e alta densidade (97,8%), cumprindo os requisitos de projeto. O trabalho obteve sucesso ao atingir o objetivo de desenvolver e documentar o processo de manufatura de semiesferas ocas de PZT por prensagem isostática e usinagem a verde para aplicação em hidrofones nacionais.