MAPEAMENTO DAS LIGAS METÁLICAS PRODUZIDAS POR CONFORMAÇÃO POR SPRAY UTILIZANDO INDICADORES CIENTÍFICOS
D. H. Milanez (1,2,*); G. Zepon (2); C. S. Kiminami (2); W. J. Botta (2) (1) Núcleo de Informação Tecnológica em Materiais – NIT/Materiais
(2) Laboratório de Metais Amorfos e Nanocristalinos - Labnano Universidade Federal de São Carlos
Rodovia Washington Luis, Km 235, São Carlos - SP 13565-905 *douglasmilanez@yahoo.com.br
RESUMO
A conformação por spray é um processo que tem recebido atenção crescente por causa da manufatura aditiva e da possibilidade produzir-se peças metálicas próximas ao formato final. Embora seja uma técnica utilizada comercialmente, muitos estudos científicos tem sido conduzidos, entre outros objetivos, no intuito de ampliar o rol de ligas metálicas passíveis de serem utilizadas neste processo. O objetivo deste estudo foi mapear as principais ligas metálicas ferrosas, não ferrosas e especiais que têm sido pesquisadas para aplicação via conformação por spray utilizando indicadores científicos elaborados com base nos dados bibliográficos de publicações científicas indexadas na base Web of Science. O estudo verificou a relevância, impacto evolução e co-ocorrência das ligas metálicas no período de 1997 a 2017. Também foi indicado os principais países e organizações conforme seus interesses por cada liga.
Palavras-chave: prospecção tecnológica, seleção de materiais, indicadores de
C&T, metais amorfos, vidros metálicos.
INTRODUÇÃO
A conformação por spray é um processo de fabricação promissor utilizado na produção de materiais metálicos de alta qualidade e que não requerem tratamentos ou etapas operacionais adicionais, que minimiza o capital de investimento por produzir produtos próximos de sua forma final, sendo um conhecido net shape
processing (1–3). Historicamente, a primeira conformação por spray foi realizada pelo
professor R. E. Singer, nos anos de 1970, tendo a tecnologia recebido o nome de “Osprey Process”. Comercialmente, o processo Osprey passou a ser aplicado em uma gama de produtos (1,2), cobrindo um amplo espectro de formas, ligas metálicas e mercados, tais como o setor automotivo, aeroespacial e de componentes de
engenharia em geral (2,3). Atualmente, é uma técnica produtiva impulsionada pela Indústria 4.0, baseada na manufatura aditiva (2).
O processo consiste em gerar um spray (pulverizado) a partir do metal líquido, que é direcionado a um substrato, geralmente em movimento contínuo, formando um produto semiacabado, circular a partir da deposição das gotas de metal (1–4), conforme ilustrado na Figura 1. Ligas de alumínio, ligas de cobre, superligas de níquel e aço inoxidável têm sido utilizadas na produção de peças metálicas próxima de sua forma final, sendo a conformação por spray classificada como net shape processing (2).
Fonte: Adaptado de Lachenicht et al.(1).
Figura 1. Representação esquemática do processo de conformação por spray.
Indicadores científicos são ferramentas úteis ao projeto de novos materiais e processos, dando suporte ao monitoramento tecnológico, seleção de materiais e tomada de decisão (5–8). Os indicadores são elaborados com base na mineração de dados e de textos, cujo objetivo é voltado para extrair e quantizar a informação contida em fontes como as publicações científicas e documentos de patente (8,9). O mapeamento da produção científica permite trazer a lume tendências antes escondidas no volume de informação atual, complementando análises e indicando possíveis desdobramentos futuros.
No capítulo introdutório do livro Metal Sprays and Spray Deposition, Apelian, Henein e Fritsching (2) apresentaram indicadores gerais de número de publicações e citações sobre o processo de conformação por spray. Entretanto, não foram mapeadas as principais ligas que tem sido pesquisadas e as instituições de pesquisa que tem liderado tais estudos. O objetivo deste estudo foi aprofundar esta análise,
mapeando as ligas metálicas ferrosas, não ferrosas e especiais que têm sido pesquisadas para aplicação via conformação por spray utilizando indicadores científicos elaborados com base nos dados bibliográficos de publicações científicas indexadas na base Web of Science.
MATERIAIS E MÉTODOS
Procedimento geral e recuperação da informação
Indicadores científicos foram elaborados com base do procedimento geral, cujo processo é apresentado na Figura 1. A primeira etapa envolveu a elaboração de uma expressão de busca que descrevesse de forma suficiente o assunto de interesse, no caso conformação por spray. Optou-se por uma estratégia de busca ampla sobre o processo e posterior refino para as ligas metálicas conforme será detalhado no próximo tópico. A expressão de busca utilizada, cuja elaboração envolveu a consulta por termos técnicos em livros, publicações científicas e especialistas, foi a seguinte: ("spray* deposit*" OR "spray* form*" OR "spray* cast*" OR "spray* compact*" OR "metal* spray*" OR "metal* atomiza*" OR"melt* atomiza*").
A busca foi aplicada no campo tópico da base Web of Science, que procura pelas palavras da expressão de busca no título, resumo e palavras chave disponíveis nos registros bibliográficos da base. O total de registros bibliográficos de publicações científicas recuperados foi de 5.416. A Web of Science foi selecionada dado seu histórico de importância para os estudos métricos, pela importância e impacto dos periódicos indexados e facilidades de busca, recuperação e coleta da informação [citação]. Após busca, os dados foram coletados e armazenados em um computador local.
Figura 1. Procedimento experimental para elaboração e análise dos indicadores.
A segunda etapa foi o processamento das informações utilizando o software Vantage Pointo (v 5.0) para dar suporte e automatizar o processo. Os seguintes campos dos registros bibliográficos foram importados: ano da publicação, título, resumo, palavra chave do autor, endereço dos autores e total de citação. As análises
foram limitadas ao período de 1997 a 2017, totalizando 4.560 registros bibliográficos de publicações científicas. A partir do endereço dos autores, foram extraídos suas instituições e países de origem. No caso das instituições, foi necessário fazer a limpeza e padronização dos nomes, um dos passos mais laboriosos do processo de tratamento da informação. Os títulos, resumos e palavras chave foram tratados conforme processamento detalhado no tópico seguinte. Na etapa três, foram elaborados e analisados os seguintes indicadores de publicação científica: (i) total e percentual de publicações científicas por liga; (ii) evolução trienal das publicações científicas por liga; (iii) rede de co-ocorrência das ligas nas publicações científicas, por agrupamentos e impacto (média de citação normalizada) – elaborado com auxílio do software VOSviewer.
Procedimento para extração das ligas metálicas
As ligas metálicas que tem sido pesquisadas para conformação por spray foram extraídas através da aplicação da abordagem de mineração de textos nos títulos, resumos e palavras chave dos autores disponíveis nos registros bibliográficos. Foi aplicado o processamento de linguagem natural, que extai palavras substantivadas – e potencialmente úteis para elaboração dos indicadores – dos títulos e resumos, resultando em um conjunto de termos. O software Vantage Point possui esta opção de processamento. Estes conjuntos de termos foram agrupados junto com as palavras chave dos autores em um único campo, resultando em 104.036 termos a serem tratados.
A próxima etapa envolveu a limpeza das palavras utilizando-se de procedimentos chamados de agrupamentos de termos (10). O processo envolve a limpeza e união de palavras no singular e plural. Para tanto, utilizou-se a funcionalidade de limpeza de lista do software Vantage Point. Em seguida, foi feita a eliminação de palavras vazias, números e eventuais nomes de editoras que foram indexadas nos resumos. Com isso, o total de elementos da lista caiu para 91.425. O mapeamento seguiu com a verificação palavra por palavra e classificando conforme as categorias apresentadas na Tabela 1. Do total de publicações científicas tratados, foi possível encontrar a liga metálica em 1.119, o que corresponde a 24,5% da amostra de dados. Considera-se esse valor suficiente para a análise das tendências, visto que nem toda publicação sobre conformação por spray necessariamente
envolverá uma liga metálica ou indicará a liga nos campos do registro bibliográfico tratado.
Tabela 1. Ligas metálicas mapeadas.
Categorias Detalhamento das Ligas
Ferrosas Aço ao Silício Aço de Manganês Aço de Níquel Aço de Níquel-Cromo-Vanádio Aço Fundido
Aços Alta Resitência Baixa Liga Aços ao Vanádio
Aços Carbono Aços de Alta Liga
Aços de Baixa Densidade
Aços de Cromo Aços de Cromo-Molibdênio Aços de Cromo-Molibdênio-Vanádio Aços de Níquel-Cromo-Molibdênio Aços Ferramenta Aços Inoxidáveis Ferro Fundido Ligas de Fe-Si Outras ligas de Fe Não-ferrosas Ligas de Ag Ligas de Al Ligas de bronze Ligas de Co Ligas de Cr Ligas de Cu Ligas de Hf Ligas de Li Ligas de Li-Sn Ligas de Mg Ligas de Mo Ligas de Ni Ligas de Pb-Sn Ligas de Pt Ligas de Re Ligas de Si Ligas de Sn Ligas de Ta Ligas de Ti Ligas de V Ligas de W Ligas de Zn Ligas de Zr
Outras Ligas Refratárias Superligas de Ni
Especiais Ligas de Alta Entropia Ligas de Alta Resistência
Ligas Amorfas/Nanoestrutur./Quasicristalinas Ligas de Memória de Forma
Fonte: elaborado pelos autores.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Num ranking baseado no percentual de publicações científicas, as ligas ferrosas foram as relativamente menos pesquisadas no que tange à conformação por spray, embora se destaque os aços ferramenta, os aços inoxidáveis e os aços ao carbono. Dentre estas três classes de liga, os aços inoxidáveis são os que apresentam aumento do número de artigos científicos conforme os períodos analisados (Figura 2a) e essa tendência pode estar associada ao interesse da produção ou recobrimento de tubos para a indústria petroquímica, por exemplo (citação). O Brasil é o principal país em termos de publicações científicas envolvendo aço inoxidável, com ênfase nas pesquisas que tem sido conduzidas na Universidade Federal de São Carlos. No caso dos aços ferramentas e aços ao carbono, a China possui o papel de liderança das pesquisas, com destaque, respectivamente, para as Universidades de Ciência e Tecnologia de Pequim e Jiao Tong de Shangai.
Tabela 2. Número acumulado de publicações científicas e percentual em relação ao total de publicações sobre ligas metálicas.
Ligas Número acumulado
de pub. científicas % em relação ao total de pub. F er ros as Aços Ferramenta 80 7,1 Aços Inoxidáveis 55 4,9 Aços Carbono 49 4,4 Ferro Fundido 38 3,4 Aços de Cromo 24 2,1 Outras Ligas de Fe 20 1,8 Ligas de Fe-Si 14 1,3
Aços de Alta Liga 13 1,2
Aço ao Silício 7 0,6
Aços ao Vanádio 6 0,5
Aços Alta Resitência Baixa Liga 5 0,4
Aço de Níquel 3 0,3 Aços de Cromo-Molibdênio 2 0,2 Aços de Níquel-Cromo-Molibdênio 2 0,2 Aço de Manganês 1 0,1 Aço de Níquel-Cromo-Vanádio 1 0,1 Aço Fundido 1 0,1
Aços de Baixa Densidade 1 0,1
Aços de Cromo-Molibdênio-Vanádio 1 0,1 N ão F e rr os as Ligas de Al 531 47,5 Ligas de Ti 67 6,0 Superligas de Ni 59 5,3 Ligas de Cu 55 4,9 Ligas de Mg 46 4,1 Ligas de Ni 46 4,1 Ligas de Si 34 3,0 Ligas de Zn 10 0,9 Ligas de Co 9 0,8 Ligas de Sn 7 0,6 Ligas de bronze 6 0,5 Ligas de Cr 6 0,5 Ligas de W 5 0,4 Ligas de Ag 2 0,2 Ligas de Li 2 0,2 Ligas de Pt 2 0,2 Ligas de Ta 2 0,2 Ligas de Hf 1 0,1 Ligas de Li-Sn 1 0,1 Ligas de Mo 1 0,1 Ligas de Pb-Sn 1 0,1 Ligas de Re 1 0,1 Ligas de V 1 0,1 Ligas de Zr 1 0,1
Outras Ligas Refratárias 1 0,1
E s pe c iai s Ligas Amorfas/Nanoestrutur./Quasicristalinas 45 4,0
Ligas de Alta Entropia 4 0,4
Ligas de Alta Resistência 2 0,2
Ligas de Memória de Forma 1 0,1
a)
b)
c)
Fonte: elaborado pelos autores com base nos dados da Web of Science.
Figura 2. Evolução da produção científica acumulada em períodos em conformação por spray com a) ligas ferrosas, b) ligas não ferrosas e c) ligas especiais.
As ligas de alumínio foram as principais ligas metálicas estudadas no processo de conformação mecânica, representando 47,5% da produção científica, como pode ser visto na Tabela 2. Neste conjunto, destacam-se especialmente as ligas do sistema Al-Si (13,2%) e Al-Zn (11,0%). Entretanto, a produção cientifica envolvendo ligas de alumínio tem caído (Figura 2b), o que pode ser associado a uma provável maturação científica ou intensificação do interesse pelo desenvolvimento da técnica de processamento com outras ligas metálicas. Ainda no contexto das ligas não ferrosas, ligas de titânio, superligas de níquel, ligas de cobre e ligas de magnésio acumulam um percentual impactante de artigos científicos. Contudo, a evolução dos estudos científicos apresenta-se de forma relativamente tímido, como pode ser visto na Figura 2b. Instituições chinesas destacam-se na liderança das pesquisadas das ligas não ferrosas destacadas, exceto para ligas de cobre, que tem preponderância de atuação da Universidade de Bremen (Alemanha), no Instituto de Ciência e Tecnologia Coreano e Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (também Coréia).
No caso das ligas especiais, as ligas metálicas amorfas, nanoestruturadas ou quasicristalinas destacaram-se representar 4,0% da produção científica em conformação por spray. A maior parte dos artigos envolvem sistemas a base de ferro ou alumínio. Verificou-se um pico de publicações científicas no período de 2009 a 2011, provavelmente quando houve mais interesse da comunidade de pesquisadores em testar a técnica de conformação para manufatura de produtos com tais ligas. Novamente, o Brasil se destaca na liderança das pesquisas relacionadas a estas ligas, com a forte atuação da já mencionada Universidade Federal de São Carlos. Apesar do relativo interesse, a produção de tais ligas metaestáveis via conformação por spray é desafiador dado os parâmetros e condições do processo que não contribuem para o rápido resfriamento do material.
A Figura 3 contém a rede de co-ocorrência das ligas metálicas nas publicações científicas por agrupamentos (cluster) e impacto (médica de citação normalizada).De uma maneira geral, as ligas ferrosas foram alocadas na região superior da rede, enquanto que as ligas não ferrosas estão na parte inferior. Na Figura 3a, há sete agrupamentos de ligas, estabelecido pelo algoritmo do software. Em vermelho, os aços ferramenta e aço ao carbono ocupam um papel central, por possuírem mais ligações com outras ligas. Em laranja, as superligas de níquel é o principal representante com conexões inclusive com ligas ferrosas.
a)
b)
Fonte: elaborado pelos autores com base nos dados da Web of Science.
Figura 3. Redes de co-ocorrência das ligas metálicas em publicações sobre conformação por spray. O tamanho dos nós é proporcional ao número de publicações acumulado entre 1997 a 2007 e a espessura das linhas é proporcional ao número de publicações que abordam aquelas ligas. As cores indicam a) agrupamentos (clusters); e b) impacto (média de citação normalizado).
Em roxo, as ligas amorfas, nanocristalinas e quasicristalinas juntamente com ligas de ferro-silício destacam-se, inclusive com fortes ligações com as publicações sobre ligas de alumínio. Em azul claro, encontra-se o agrupamento cuja principal elemento são os ferros fundidos. Em azul escuro, encontra-se agrupamento liderado pelas ligas de alumínio que, inclusive, é o elemento da rede com mais ligações com as demais ligas – o que a coloca num patamar de ligas base para que haja desenvolvimento de outras ligas. Em amarelo, estão as ligas não ferrosas que tem as ligas de cobre como nó principal e, por fim, há o agrupamento verde que destaca três grandes conjuntos de publicações para ligas de titânio, ligas de níquel e os aços inoxidáveis.
O indicador de impacto (cores da Figura 3b) mostra que a produção científica envolvendo principalmente ligas de titânio e ligas amorfas, nanoestruturadas e quasicristalinas foram as que tiveram maior impacto (média de citação normalizada) no período da análise. Aços ao silício também foi destacado, embora o total de publicações sobre esta liga foi baixo (apenas sete). Por ser o maior conjunto de publicações as ligas de alumínio tiveram um impacto próximo de um – uma limitação da análise proposta neste estudo.
CONCLUSÃO
O presente estudo mapeou as principais ligas metálicas conformadas via spray. Foi possível indicar as principais ligas pesquisadas, com destaque para as ligas de alumínio, aços ferramenta, aços inoxidáveis e ligas amorfas, nanocristalinas e quasicristalinas. Foram apontados os países que mais publicaram por liga, sendo destacado o papel da China por encabeçar a maioria dos artigos por liga. O Brasil destacou-se no caso dos aços inoxidáveis e ligas amorfas, nanocristalinas e quasicristalinas, tendo a Universidade Federal de São Carlos como principal instituição brasileira nos estudos de conformação por spray destas ligas. Apesar da importância das ligas amorfas, nanocristalinas e quasicristalinas, os resultados indicaram um ciclo de estudos com recente queda no número de artigos científicos envolvendo tais ligas para a conformação por spray.
Ligas de titânio tem ganhado atenção crescente, conforme constatado no crescimento constante da produção científica e impacto a partir do indicador de média de citação normalizada. É possível afirmar que os futuros desenvolvimento
envolveram pesquisas sobre ligas de titânio e aço inoxidável. No entanto, recomenda-se o monitoramento do derecomenda-senvolvimento de pesquisas em conformação por spray envolvendo tais ligas e estudos complementares que permitam avaliar o desenvolvimento de tecnologias por ligas, por exemplo, via estudos de monitoramento baseado em documentos de patente.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP, processos número: 15/18878-8 e 13/05987-8) pelo apoio no desenvolvimento desta pesquisa.
REFERÊNCIAS
1 Lachenicht, V.; Scharf, G.; et al. Spray forming - A promising process for making high-quality steels and alloys. Metallurgist, v. 54, n. 9–10, p. 656–668, 2011.
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Report, v. 54, n. 5, p. p 8-p 8, 1999.
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9 Leopold, E., May, M., et al. Dataming and text mining for science and technology research. In: HF Moed, W Glänzel, et al. (Ed.); Handbook of quantitative science
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10 Zhang, Y.; Porter, A.L.; et al. “Term clumping” for technical intelligence: A case study on dye-sensitized solar cells. Technological Forecasting and Social
Change, v. 85, p. 26–39, 2014.
MAPPING METALLIC ALLOYS APPLIED BY SPRAY FORMING USING SCIENTIFIC INDICATORS
ABSTRACT
Spray forming is a process that has received increasing attention of the additive manufacture industry because the possibility of producing metal parts close to the final shape. Although it is a technique used commercially, many scientific studies have been conducted in order to expand the list of metallic alloys that can be used in this process, among other issues. The aim of this study was to map the main ferrous, non-ferrous and special metallic alloys that have been researched for spray conformation using scientific indicators developed using the bibliographic data of scientific publications indexed in the Web of Science database. The study verified the relevance, impact, evolution and co-occurrence of the metallic alloys in the period from 1997 to 2017. It was also indicated the main countries and organizations according to their interests by each league.
Keywords: technological forecasting, materials selection, S&T indicators, amorphous
