BRPI0403536B1 - reator de plasma industrial para a extração de ligantes assistida por plasma, de peças produzidas por injeção de pós. - Google Patents
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Description
REATOR DE PLASMA INDUSTRIAL PARA A EXTRAÇÃO DE LIGANT5SASSISTIDA POR PLASMA, DE PEÇAS PRODUZIDAS POR INJEÇÃO DE PÓS.
Trata-se de configuração construtiva de reator .industrial para a extração deligantes, assistida por plasma, de peças produzidas por injeção de pós.
As técnicas de conformação de pós, existentes, são muito apropriadas para aobtenção de peças acabadas com estreitas tolerâncias dimensionais e economicamentecompetitivas na. produção em série de peças acabadas em ferro, aço e outras ligasmetálicas, bem como, na produção de peças em cerâmica e em compósitos particulados.
Dentre as técnicas de conformação dos pós, a compactação uniaxial em matrizes ea injeção de pós são as mais importantes para a fabricação de componentes de engenhariade alta precisão e qualidade. A injeção de pós é uma técnica alternativa da metalurgia depó que supera as limitações existentes na conformação de produtos com geometriacomplexa. O processo consiste, basicamente, em misturar os pós com um sistema liganteorgânico (aglutinante) para obtenção de uma massa com propriedades reológicasadequadas para sua injeção e injetá-la numa matriz com a geometria desejada, emambientes com temperaturas onde o ligante se encontra no estado fundido. O ligante esfriadentro da matriz, enrijecendo-se, e confere resistência às peças; neste estágio, as peças sãodenominadas de peças verdes. Após o resfriamento as peças verdes são removidas damatriz. Na seqüência executa-se a extração dos ligantes e a sinterização das peças verdes.Entre os materiais mais utilizados, na Moldagem de Pós por Injeção, se incluem os óxidos,nitretos, carbonetos, aços, metais refratários, compostos intermetálicos e compósitosparticulados. As principais aplicações de produtos injetados (metálicos, cerâmicos,compósitos) são: implantes dentários e próteses, bicos injetores, instrumentos cirúrgicos eodontológicos, componentes de máquinas e equipamentos, circuitos impressos,ferramentas de usinagem, periféricos de computadores, componentes porosos de elevadodesempenho, rotores de turbinas; ou seja, aplicações onde a geometria complexa da peça ea elevada qualidade do material são exigidas simultaneamente.
A injeção de pós é feita sob condições substancialmente similares as da injeção deplásticos e após a injeção, é necessário proceder a extração dos ligantes orgânicos e asinterização das peças. O forno/reator para proceder a extração dos ligantes é o objetodescrito neste relatório e reivindicado no pedido de patente. A extração dos ligantesorgânicos de peças injetadas é feita, atualmente, por várias alternativas distintas, como:extração supercrítica que é pouco usada e ainda não completamente desenvolvida;extração por solventes combinada com a extração térmica e, dependendo do tipo desistema ligante utilizado, apenas extração térmica. Um ligante diferenciado desenvolvidopela BASF (Alemanha) utiliza um processo catalítico seguido de extração térmica docomponente remanescente. Assim, a escolha do processo de extração depende do sistemade ligantes utilizado.
Os ligantes mais comumente utilizados na moldagem de pós por injeção sãoformados por um polímero base (polietileno ou polipropileno) e aditivos de baixo pesomolecular, como parafina, EVA, ácido esteárico e ceras. Após a injeção, o ligante,presente no corpo da peça verde, deve ser extraído cuidadosamente evitando causar danosao corpo da peça. Os processos térmicos de extração dos ligantes orgânicos, utilizados,deixam resíduos orgânicos depositados no forno ou na câmara e no sistema debombeamento quando a extração é processada a vácuo; além disso, demandam um tempomuito longo para a extração do ligante, encarecendo o processo; são poluentes, poisliberam hidrocarbonetos de cadeias longas ou envolvem queima, produzindo resíduoscomo, por exemplo, o monóxido de carbono.
O processo de extração de ligantes por plasma descrito nas patentes BRPI9901512-9, EP 1230056, US 6,579,493 que descrevem "plasma assisted debinding",evita a deposição de resíduos orgânicos no forno e no sistema de bombeamento; reduz otempo de processamento em aproximadamente 80%. O processo utiliza a reatividade doambiente de plasma gerado por descarga elétrica de corrente contínua entre um anodo eum catodo, em um ambiente sob baixa pressão (0,1 a 15 Tor). O forno/reator paraproceder a extração dos ligantes, descrito e reivindicado neste relatório, possuicaracterísticas construtivas que viabilizam o processo de extração de ligantes descritonessas patentes. O processo consiste na utilização da energia de elétrons gerados em umadescarga elétrica. A energia dos elétrons é transferida para as macromoléculas orgânicaspor colisão inelástica provocando a sua dissociação em radicais orgânicos CxHy. OHidrogênio atômico também gerado no plasma combina-se com os radicais evitando arecombinação dos mesmos em macromoléculas. As moléculas decorrentes da dissociaçãosão de menor peso molecular, e encontram-se no estado físico gasoso à temperaturaambiente, sendo removidas do reator pelo fluxo gasoso promovido pelo sistema de vácuo.
Para a realização do processo de extração do ligante e do processo de sinterizaçãono mesmo forno/reator, com êxito e em escala industrial, um design apropriado daconfiguração catodo-anodo é essencial. Essa configuração física do conjunto catodo-anodoestá contida no quadro reivindicatório do presente pedido de patente. Há a necessidade degerar um número elevado de elétrons próximo às peças no reator para que todas asmoléculas orgânicas sejam dissociadas. Também é importante que átomos e moléculasexcitadas de hidrogênio sejam gerados ao redor das peças, reagindo quimicamente com osprodutos orgânicos degradados, eliminando a deposição de resíduos. Outro aspecto deimportância crítica é relacionado com a possível deformação dos eletrodos (catodo eanodo) devido à elevada temperatura de tratamento, chegando a 1300 °C na sinterização.Ocorrendo deformações nos eletrodos, a descarga torna-se instável, com geração demicro-arcos inviabilizando o uso do equipamento em ciclo industrial. Detalhesconstrutivos do catodo e do anodo estão sendo reivindicados neste pedido de patente.Breve descrição da Invenção
O relatório, aqui descrito, trata do desenvolvimento de um equipamento pararealizar a extração dos ligantes assistida por plasma. Quando desejado, a pré-sinterização ea sinterização poderão ser executadas no mesmo equipamento e ciclo térmico. Trata-se deequipamento que possui no mesmo ambiente, ou seja, no interior da câmara do reator, osistema de eletrodos na forma de catodo-anodo confinado, permitindo gerar o plasma, eum sistema de aquecimento auxiliar resistivo adequado para alcançar com segurançatemperaturas elevadas, acima de 1100 °C, utilizadas na sinterização. Como a tensãoaplicada aos resistores é baixa (10 a 40 V), não ocorre interferência do sistema deaquecimento resistivo na descarga elétrica gerada entre catodo e anodo.
Em um reator de plasma é gerado calor pela colisão de íons e partículas neutrasrápidas contra o catodo. Se esta for a única fonte de calor do reator, a temperatura obtida éfunção dos parâmetros do plasma, isto é, da tensão aplicada, pressão do gás ou misturagasosa, da densidade de corrente, entre outros. Para obter as temperaturas necessárias paraa pré-sinterização e a sinterização final é necessário utilizar "plasma com elevadapotência", em geral maior do que a necessária; com isso é possível aproveitarcorretamente o efeito reativo do ambiente de plasma, como por exemplo, para dissociarmoléculas orgânicas na extração. Para realizar adequadamente a "extração de ligantesorgânicos seguida de pré-sinterização ou sinterização assistidas por plasma", o reator devepossuir, além de sistema anodo-catodo para gerar a descarga elétrica, resistores, ou seja,aquecimento resistivo que passa a ser a principal fonte de geração de calor. Isto permiteajustar os parâmetros do plasma para aqueles valores mais adequados para promover asreações fisico-químicas de interesse.O equipamento, aqui descrito, permite realizar, em escala industrial, a extração dosligantes orgânicos de peças produzidas por injeção de pós e por compactação de pós, nomesmo ciclo térmico, utilizando uma descarga elétrica de hidrogênio ou de uma misturade gases contendo hidrogênio. O quadro reivindicatório contém forma geométrica edisposição física dos elementos que compõe o reator de modo que seja viabilizado oprocesso de extração de ligantes por plasma, descrito nas patentes BR PI9901512-9, EP1230056, US 6,5.79,493.
A Figura 1 mostra esquematicamente o reator, constituído por uma câmara devácuo(l) com entradas de gás(2) ou mistura gasosa, medidor de pressão(3), saída(4) parasistema de vácuo, entrada de potência elétrica(5) para alimentação dos eletrodos, sistemade aquecimento resistivo(ó) auxiliar e o conjunto de eletrodos, constituído de catodos(7) eanodos(8), sendo que o anodo(8) é o suporte para as bandejas(13) com as peças(9) a seremsinterizadas.
A Figura 2 mostra exemplo meramente ilustrativo de configuração das peças(9)sobre a bandeja(13).
A figura 3 mostra o conjunto anodo(8), estruturalmente na forma de umquadrilátero rígido com prateleiras(81) fixas nos montantes/arestas(82) do quadrilátero. Asprateleiras estão sobrepostas e contidas em planos paralelos entre si.
A figura 4 mostra as bandejas(13) com as peças(9) posicionadas sobre asprateleiras(81) do conjunto anodo(8).
A figura 5 mostra o conjunto catodo(7), que estruturalmente possui a forma de umparalelepípedo rígido formado por montantes(71) com travessas(72) fixas nosmontantes(71) e com barras(73) unindo rigidamente as extremidades das travessasfixas(72). As travessas fixas(72) possuem rebaixos(75) ao longo do corpo da travessa(72)para encaixe e posicionamento de barras removíveis(74). Cada par de travessas(72) fixas éunida rigidamente nas extremidades por um par de barras(73) formando um quadrilátero;Os quadriláteros assim formados estão sobrepostos e dispostos em planos paralelos entresi.
A figura 6 é uma vista frontal do catodo(7), como mostrado na figura 5, queestruturalmente possui a forma de um paralelepípedo rígido formado por montantes(71)com travessas(72) fixas nos montantes(71) e com barras(73) unindo rigidamente asextremidades das travessas fixas(72).
A figura 7 mostra os conjuntos, catodo(7) e anodo(8), inseridos um dentro do outrode modo que entre as prateleiras(81) contenha um conjunto de barras removívieis(74),dispostas em planos paralelos aos planos formado pelas prateleiras(81).
A figura 8 é uma vista lateral dos conjuntos, catodo(7) e anodo(8), inseridos umdentro, como mostrado na figura 7, agora com as bandejas(13) contendo as peça(9) eapoiadas sobre as prateleiras(81).
A figura 9 mostra detalhe construtivo do catodo(7), com destaque da remoção dasbarras removíveis(74); sem as ditas barras(74) faz-se a montagem do anodo(8) no interiordo catodo(7).
O equipamento, apresentado esquematicamente na figura 1, é constituído de umacâmara de vácuo(l) envolvida por uma campânula( 11) de parede dupla com camisad'água de refrigeração; junto as paredes internas da câmara(l) há anteparos(lO) metálicosque atuam como isolante térmico da câmara reduzindo a perda de calor gerado na descargaelétrica do plasma e pelo sistema de aquecimento resistivo; possui uma saída(4) para aconexão da bomba de vácuo à dita câmara(l). O equipamento possui entradas(2) de gasesou mistura gasosa que vão ocupar o ambiente onde ocorre a descarga elétrica de correntecontínua entre um anodo e um catodo; possui entrada de potência elétrica(5) paraalimentação dos eletrodos. O sistema de aquecimento resistivo tem a função de ajustar eestabilizar as temperaturas da Câmara de Vácuo e fornecer energia necessária para atingiras altas temperaturas (500 °C à 1400 °C). No interior da câmara de vácuo(l) está montadoo conjunto de eletrodos, constituído de catodos(7) e anodos(8); o anodo(8) atua comosuporte das bandejas(13) que contém as peças(9). O conjunto catodo-anodo(7 e 8) éconstruído em ligas de metal refratário. Tanto o anodo(8) quanto o catado(7) sãoestruturalmente construídos em perfil rígido de secção cilíndrica, ou retangular, ou outras.As bandejas(13), que contém as peças(9), são construídas de placas cerâmicas ou placasde metal refratário. O conjunto anodo(8), constituído pelos montantes(82) eprateleiras(81), é construído em perfis unidos por soldagem ou por junção mecânica,através de parafusos, de maneira que forme um conjunto rígido.
As bandejas(13) são posicionadas sobre o conjunto anodo(8), formado por váriosníveis(81), conforme figura 4. Quando as peças(9) são posicionadas sobre bandejas(13) deplacas cerâmicas, estas ficam em potencial flutuante; quando posicionadas diretamentesobre substrato metálico, as peças(9) estão em contato elétrico com o anodo(8) que seencontra aterrado(14), enquanto que o cátodo(7) da descarga elétrica é ligado à voltagemnegativa da fonte(5) de alta tensão. Em ambas configurações, ocorre um bombardeamentointenso de elétrons na superfície da peça(9) propiciando a degradação ativada do liganteorgânico. Também, como a região luminescente da descarga elétrica envolve as peças(9),as espécies reativas geradas no plasma reagem quimicamente com os produtos dadegradação do ligante orgânico de forma eficiente. Desta forma, os produtos dadegradação do ligante orgânico são transformados em gases leves como, por exemplo,metano que são evacuados do reator pela bomba de vácuo, mantendo o equipamentoisento de depósitos.
O conjunto cátodo(7) é constituído de uma estrutura em forma de paralelepípedorígido, com quadriláteros formado por pares de travessas(72 e 73) dispostos em diferentesníveis paralelos entre si, conforme mostrado na figura 5. Esta estrutura(7) é justaposta aoconjunto anodo(8), conforme figuras 6 a 8. Após a montagem da estrutura cátodo(7) aoredor do conjunto ânodo(8), são posicionadas as barras(74) removíveis que atravessam ovolume do conjunto anodo(8), exatamente acima das bandejas(13) em cada prateleira(Sl)do conjunto anodo(8), de forma a gerar plasma na vizinhança das peças(9) em tratamento.Estas barras(74) removíveis do catodo (barras catódicas) estão separadas entre si, nosentido horizontal, por uma distância de 3 a 50 mm, de acordo com a necessidade de áreacatódica desejada no equipamento. As barras(74) catódicas transversais se encontramapenas apoiadas na estrutura(72) do catodo(7) em um rebaixo(75) usinado neste, de formaque podem ser removidas quando desejado, conforme mostrado na figura 5 e na figura 9.
O material para a construção dos eletrodos, catodo e anodo, é constituído demolibdênio ou ligas de molibdênio ou ainda outro material com boa condutividade elétricacapaz de suportar, sem deformações significativas, as temperaturas necessárias paraprocessar a pré-sinterização ou sinterização das peças metálicas ou cerâmicas. Com estaconfiguração e utilizando metal refratário como molibdênio ou ligas de molibdênio naconstrução dos eletrodos, as deformações mecânicas do sistema de eletrodos sãominimizadas, evitando assim, a ocorrência de instabilidade na descarga elétrica. Este fatoé de fundamental importância para tornar o equipamento adequado para uso na indústria.
A tecnologia de plasma é atualmente utilizada na nitretação, carbonitretação,cementação, oxidação, extração de ligantes, sinterização assistida por plasma, dentreoutros. O equipamento descrito é utilizável para a extração de ligantes assistida porplasma, com possibilidade de ser usado num mesmo ciclo térmico para a sinterizaçãoassistida por plasma e tratamentos termoquímicos assistidos por plasma, como anitretação, a cementação e carbonitretação por plasma.
Claims (8)
1. REATOR DE PLASMA INDUSTRIAL PARA A EXTRAÇÃO DE LIGANTESASSISTIDA POR PLASMA, DE PEÇAS PRODUZIDAS POR INJEÇÃO DE PÓS éequipamento industrial para extração de ligantes assistida por plasma, em peçasproduzidas por injeção de pós-metálicos ou cerâmicos, constituído por uma câmara devácuo que contém sistema anodo-catodo confinado para a geração de plasma,caracterizado por possuir no mesmo ambiente um sistema de aquecimento resistivo;
2. REATOR DE PLASMA INDUSTRIAL PARA A EXTRAÇÃO DE LIGANTESASSISTIDA POR PLASMA, DE PEÇAS PRODUZIDAS POR INJEÇÃO DE PÓS deacordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo sistema de aquecimento resistivo(ó)auxiliar contido na câmara de vácuo ser formado por uma pluralidade de resistores(ó)instalados no interior da dita câmara de vácuo(l), com a tensão aplicada aos resistores(ó)na faixa de 10 a 60 V;
3. REATOR DE PLASMA INDUSTRIAL PARA A EXTRAÇÃO DE LIGANTESASSISTIDA POR PLASMA, DE PEÇAS PRODUZIDAS POR INJEÇÃO DE PÓS éequipamento industrial para extração de ligantes assistida por plasma em peças produzidaspor injeção de pós-metálicos ou cerâmicos constituído por uma câmara de vácuo quecontém sistema anodo-catodo confinado para a geração de plasma, caracterizado peloanodo(S) ter a forma de um paralelepípedo treliçado com prateleiras(81) e a estrutura docatodo(7) também em forma de paralelepípedo treliçado, estar justaposta ao conjuntoanodo(S);
4. REATOR DE PLASMA INDUSTRIAL PARA A EXTRAÇÃO DE LIGANTESASSISTIDA POR PLASMA, DE PEÇAS PRODUZIDAS POR INJEÇÃO DE PÓS deacordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo conjunto anodo(8) ser constituídoestruturalmente na forma de um quadrilátero rígido com prateleiras(81) fixas nosmontantes/arestas(82) do quadrilátero e as prateleiras(81) estarem sobrepostas, espaçadase contidas em planos paralelos entre si;
5. REATOR DE PLASMA INDUSTRIAL PARA A EXTRAÇÃO DE LIGANTESASSISTIDA POR PLASMA, DE PEÇAS PRODUZIDAS POR INJEÇÃO DE PÓS deacordo com a reivindicação 4, caracterizado pelas prateleiras(81) sobrepostas, espaçadas econtidas em planos paralelos entre si, estarem espaçadas por distâncias de 3 mm a 200 mm
6. REATOR DE PLASMA INDUSTRIAL PARA A EXTRAÇÃO DE LIGANTESASSISTIDA POR PLASMA, DE PEÇAS PRODUZIDAS POR INJEÇÃO DE PÓS deacordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo conjunto catodo(7), estruturalmentepossuir a forma de um paralelepípedo rígido formado por montantes(71) comtravessas(72) fixas nos montantes(71) e com. barras(73) unindo rigidamente asextremidades das travessas fixas(72) e as travessas fixas(72) possuírem uma pluralidadede rebaixos(75) ao longo do corpo da travessa(72);
7. REATOR DE PLASMA INDUSTRIAL PARA A EXTRAÇÃO DE LIGANTESASSISTIDA POR PLASMA, DE PEÇAS PRODUZIDAS POR INJEÇÃO DE PÓS deacordo com as reivindicações 3 a 6, caracterizado pelo conjunto catodo(7), possuirestrutura justaposta ao conjunto anodo(8), de modo que cada conjunto de barrasremovíeis(74) que formam uma prateleira do conjunto catodo(7) esteja intercaladosimetricamente entre as prate!eiras(81) do conjunto anodo(8);
8. REATOR DE PLASMA INDUSTRIAL PARA A EXTRAÇÃO DE LIGANTESASSISTIDA POR PLASMA, DE PEÇAS PRODUZIDAS POR INJEÇÃO DE PÓS deacordo com a reivindicação 7, caracterizado pelas barras(74) removíveis do catodo(7)estarem paralelas e separadas entre si, no sentido horizontal, por uma distância de 3 a 50mm;
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