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PROJETO MECÂNICO DE TRIBÔMETRO DO TIPO PINO SOBRE DISCO

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Academic year: 2021

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PROJETO MECÂNICO DE TRIBÔMETRO DO TIPO PINO SOBRE DISCO

Yale H. Araújo dos Santos, yale95@ufrn.edu.br1

Thércio Henrique de Carvalho Costa, thercioc@ct.ufrn.br1

Maxwell Santana Libório, maxwellsantana@ect.ufrn.br1

1Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Avenida Senador Salgado Filho, S/N. Campus Universitário, Lagoa Nova,

Natal/RN.

Resumo: Caracterizações mecânicas de tribossistemas são ensaios essenciais para avaliar o desempenho das superfícies

de materiais, visando a validação de propriedades da superfície de um material, a evolução e o desenvolvimento de materiais que suportem condições de trabalho requeridas. Neste contexto um método utilizado para análise em laboratório é o ensaio de desgaste com tribômetro do tipo pino sobre disco – equipamento capaz de mensurar grandezas físicas como a força normal, a força de atrito, temperatura, distância e velocidade de deslizamento. Considerando a importância de estudos relacionados a engenharia de superfícies, este trabalho apresenta o projeto de um tribômetro como uma ferramenta para desenvolvimento de pesquisas relacionadas ao atrito, desgaste, lubrificação e vida útil de sistemas. Assim, projetou-se então um equipamento de pequeno porte, a fim de permitir ensaios rápidos e de baixo custo. O deprojetou-senvolvimento do trabalho ocorreu de acordo com as etapas: projeto mecânico com suporte do software de modelagem 3D – Solidworks, dimensionamento mecânico e projeto eletrônico com auxílio de placa de Arduíno. Os resultados obtidos no trabalho foram as soluções implementadas ao projeto: adição de mancais de rolamento, base metálico e viga em balanço. O contrapeso necessário para atingir o estado mecânico de equilíbrio é de 2,024P. Ao fim do projeto concluiu-se que o tribômetro projetado é funcional e capaz de ensaiar pequenas amostras, possui carga máxima admissível de ensaio de 20 N, velocidade angular máxima de 3535 RPM e resolução de medição de 0,0000584576 N.

Palavras chave: tribômetro, pino sobre disco, engenharia de superfície, caracterização mecânica.

MECHANICAL DESIGN OF A PIN-ON-DISC TRIBOMETER

Abstract: Mechanical characterization of tribosystems are essential tests to evaluate the performance of material surfaces,

aiming to validate the surface properties of a material, the evolution and development of materials that support the required working conditions.In this context, a method used for laboratory analysis is the wear test with a pin-on-disk tribometer - equipment capable of measuring physical quantities such as normal force, frictional force, temperature, distance and sliding speed.Considering the importance of studies related to surface engineering, this work presents the design of a tribometer as a tool for the development of research related to friction, wear, lubrication and systems life. Thus, a small equipment was designed, in order to allow rapid and low cost tests. The development of the work took place according to the steps: mechanical design supported by 3D modeling software - Solidworks, mechanical sizing and electronic design with the aid of an Arduino board.The results obtained in the work were the solutions implemented in the project: addition of rolling bearings, metallic base and cantilever beam. The counterweight required to reach the mechanical equilibrium state is 2.024P. At the end of the project it was concluded that the designed tribometer is functional and capable of testing small samples, has a maximum allowable test load of 20 N, maximum angular speed of 3535 RPM and measurement resolution of 0.0000584576 N.

Keywords: tribometer, pin-on-disc, surface engineering, mechanical characterization.

1. INTRODUÇÃO

Para o estudo da Tribologia, ciência que estuda os fenômenos relativos ao atrito, desgaste e lubrificação, são utilizados equipamentos denominados tribômetros, que tem como objetivo reproduzir fenômenos que acontecem no dia a dia de maneira acelerada e controlada (Verdi, 2011). De acordo com Martins (2013), existem dois métodos para caracterizar tribosistemas, o método linear, que consiste no arrasto do pino sobre a superfície estudada e o rotativo, no qual o corpo de prova realiza revoluções enquanto é pressionado pelo pino

A necessidade de submeter materiais a análises tribológicas é cada vez mais indispensável na indústria, para validação de propriedades mecânicas, definição de adequados regimes de lubrificação ou até mesmo para auxílio no planejamento de rotinas de manutenções (Accadrolli & de Verney, 2017). Holmberg & Erdemir (2017) relatam que quase um quarto dos recursos energéticos do mundo em presente uso seja necessário para vencer o atrito de forma direta ou indireta. Na indústria, setor que compreende maior número de máquinas e equipamentos, a perda energética por atrito e seus relacionados chega a 30% (Dowson, 1979). Logo, máquinas com melhores soluções tribológicas aumentam a produção e o lucro, pois menor será a frequência de paradas para manutenções corretivas (Dos Santos, 2019).

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Ferraz (2019) caracterizou diferentes ligas de ferro fundido utilizando tribômetro do tipo pino sobre lixa, o trabalho aponta que a presença de carbonetos na microestrutura aumenta a resistência ao desgaste. Jacobsen (2014) submeteu amostras de aço ferramenta H13, nitretado por plasma em diferentes condições de densidade de corrente e temperatura, ao ensaio pino-sobre-disco; o autor conclui que as amostras nitretadas em 430 ºC obtiveram melhor desempenho no teste de desgaste. Cappellaro (2014) comparou dois materiais utilizados em pastilhas de freios – um orgânico e outro semi metálico, para analisar tribologicamente utilizou um tribômetro multifuncional e constatou que o material orgânico apresentou área de contato maior que o semi metálico. Mendonça (2009) caracterizou um nano compósito de resina de epóxi com nano partículas, em seu trabalho utilizou um tribômetro pino sobre disco para analisar o desgaste do material, finalmente o autor apontou que a taxa de desgasta do epóxi foi reduzido em aproximadamente 8%. Zanetti (2015) estudou o comportamento de plásticos de engenharia, poliamida 6 do tipo verde que contém lubrificante sólido e do tipo preto que contém bissulfeto de molibdênio, com suporte de um tribômetro do pino sobre disco contou que poliamida 6 do tipo verde apresentou maior resistência ao desgaste.

Com base nisso, este trabalho apresenta o projeto e caracterização de tribômetro que servirá no auxílio para desenvolvimento de pesquisas envolvendo o atrito e seus relacionados. O dispositivo que será apresentado a diante se baseia no método rotativo, conhecido popularmente como pino sobre disco (ASTM 99-17, 2020).

2. MATERIAIS E MÉTODOS

A realização deste trabalho se deu sob diferentes etapas: projeto mecânico com suporte do software de modelagem 3D – Solidworks, dimensionamento mecânico e projeto eletrônico com auxílio de placa de Arduíno.

2.1 Projeto Mecânico

Inicialmente foram definidas premissas básicas para o projeto, de modo a garantir que o equipamento fosse funcional, de baixo custo e capaz de realizar ensaios em pequenas amostras.

 Mínima vibração ao longo de ensaios;

 Garantia de verticalidade do contato do pino sobre a superfície da amostra;

 Capacidade de mudança de trilho na amostra;

 Projeto de baixo custo financeiro.

Buscou-se então soluções que permitissem que as premissas fossem atendidas no projeto. A vibração é certamente umas das principais fontes de incerteza em ensaio mecânicos, portanto para evitar deslocamentos do dispositivo em funcionamento, foi idealizado uma base metálica e maciça, de modo que acomodasse os demais componentes. Também com o mesmo fim, foi necessária a indicação de mancais de rolamentos no projeto.

Outra premissa fundamental de projeto é a garantia de verticalidade na interface pino-amostra, uma vez que a força de atrito é proporcional ao esforço normal e, caso este item não fosse atendido, seria comprometido o resultado dos ensaios. Então adotou-se um sistema de viga em balanço, garantindo seu equilíbrio estático através de contrapesos, de modo que só a carga de ensaio influenciasse nos parâmetros medidos durante o experimento. Além disso foi implementado um sistema com parafuso para ajuste da altura do pino, possibilitando a adaptação do tribômetro à amostra e garantindo o contato vertical na interface pino-amostra. Ainda para verificação visual do equilíbrio da viga, será instalado um nível bolha, garantindo mais uma vez um contato ortogonal do pino-amostra.

Contudo, atendendo aos requisitos acima e adotando as soluções já descritas, foi modelado o projeto mecânico do tribômetro com suporte do software Solidworks.

2.2 Dimensionamento Mecânico

Nesta seção serão apresentados os passos utilizados para o dimensionamento mecânico da viga em balanço, pois é necessário que o pino permaneça estático e sofra influência apenas da carga de ensaio. Para uma análise pelo método do diagrama de corpo livre, o componente foi ligeiramente simplificado. Na Figura 1 é exibido o diagrama de esforços que atuam no componente.

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Figura 1. Diagrama de forças para a viga em balanço. Fonte: o autor.

Na Figura 1 P é a força peso aplicada sobre o centro geométrico da viga, CP é o contrapeso necessário para equilibrar a viga e RA é a reação provocada pelo apoio.

Para que um corpo rígido permaneça estático é necessário que sejam satisfeitas duas condições: somatório dos esforços nas direções e somatório dos momentos atuantes sejam nulos (Hibbeler, 2011). A Equação 1 apresenta o somatório de momentos na viga. Na próxima seção deste trabalho, a partir da Eq. (1), o valor do contrapeso é determinado em função do peso da viga.

∑ 𝑀𝐴= 0 (1)

Para verificar se a segunda condição de equilíbro está sendo satisfeita a Equação 2 demonstra o somatório de forças na direção Y.

∑ 𝐹⃗𝑦= 0 (2)

Por último, considerando o limite de carga máximo de 20 N para o tribômetro e a premissa de projetar um tribômetro de baixo custo, é selecionado o motor que será responsável por transferir torque ao corpo de prova. Na seção Resultados são apresentadas as especificações técnicas do motor selecionado.

Acoplado ao motor será utilizado um sistema com engrenagens para eixos transversais, de modo que a direção do torque seja alterada. A Figura 2 apresenta uma ilustração com a configuração discutida acima.

Figura 2. Esquema demonstrando a configuração da bancada de ensaios.

2.3 Projeto Eletrônico

De acordo com a ASTM G99-17 o tribômetro deverá conter um sensor para a medição da força de atrito ao longo do ensaio. Para isso utilizou-se duas células de carga com capacidade de até 50 kgf – o equivalente a 490 N – em cada película resistiva strain gauge implantada que irá compor o circuito denominado Ponte de Wheatstone. A Figura 3 apresenta a célula de carga que será utilizada para medir a variação de esforço normal ao longo do ensaio.

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Figura 3. Célula de carga composta por strain gauges. Fonte: Blog Eletrogate

O circuito elétrico mais utilizado para medir variações de resistência elétrica é chamado de Ponte de Wheatstone, composto por quatro resistências na forma de um quadrilátero. Esta configuração é utilizada por inúmeros instrumentos eletrônicos, principalmente quando se deseja um sinal de erro proporcional a diferença entre um sinal variável e outro de referências (Eguti, 2005).

Neste trabalho serão aplicadas duas células em paralelo, substituindo dois resistores da Ponte de Wheatstone, de modo que sempre que houver variação de carga aplicada ao sensor, será produzido uma variação do sinal elétrico proporcional a carga.Portanto, uma vez que a força é diretamente proporcional a deformação elástica de um determinado objeto e, esta, por sua vez, proporcional a variação de resistência elétrica, os strain gauges permitem a medição da força (Gertz, 2001). A Figura 4 apresenta a configuração que será utilizada no circuito elétrico, os resistores marcados serão substituídos pelos sensores.

Figura 4. Ponte de Wheatstone. Fonte: Blog Eletrogate

As portas analógicas das placas de Arduíno Uno convencionais possuem conversores analógico-digital embutido de 8 bits, obtendo resolução de 0,39 kgf, o que é considerada muito baixa, então optou-se por usar um conversor de sinal HX711 – Figura 5 – que aumentará a resolução para 24 bits, melhorando o nível de sensibilidade da instrumentação do tribômetro para 0,00000596 kgf, além de já conter um amplificador de sinal.

Figura 5. Amplificador de sinal HX711 que será utilizado no projeto eletrônico. Fonte: Blog Eletrogate

Finalmente, o sinal será enviado à placa de Arduíno Uno, que será responsável por processar o sinal de acordo com um algoritmo em linguagem C/C++ criado no ambiente de desenvolvimento do arduíno e apresentará na interface do computador a força de atrito medida instantaneamente. A Figura 6 contém uma ilustração do funcionamento do projeto

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Figura 6. Ilustração do funcionamento do projeto eletrônico

Para que a força normal seja medida de maneira correta e precisa, optou-se por posicionar as células de carga na superfície de baixo da gaveta que acomoda a porta amostras, de modo que o esforço provocado pelo pino cause uma deflexão dos sensores e assim gerando variação do sinal elétrico. A Figura 7 apresenta o posicionamento utilizado para os sensores.

Figura 7. Representação dos sensores (cor prata) posicionados na gaveta da porta amostras.

3. RESULTADOS

Para que as premissas básicas do projeto fossem atendidas foram inseridas solução inteligentes ao projeto. Na Figura 8 são apresentadas as soluções já discutidas na metodologia deste trabalho.

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Com base no diagrama apresentado na Figura 1 e nas Equações 1 e 2, pôde-se conhecer a reação de apoio no mancal ‘A’ e a carga de CP para que a viga permaneça em estado de equilíbrio mecânico. A solução das equações é demonstrada a seguir.

Para que o somatório dos momentos na viga seja nulo utiliza-se a Equação 1:

∑ 𝑀𝐴= 0 → 𝐶𝑃 ∙ 42 − 𝑃 ∙ 85 = 0 → 𝐶𝑃 = 𝑃 ∙ 85

42 𝐶𝑃 = 2,024𝑃

Agora, substituindo CP na Equação 2, temos:

∑ 𝐹⃗𝑦= 0 → −𝐶𝑃 + 𝑅𝐴 − 𝑃 = 0 → −2,024𝑃 + 𝑅𝐴 − 𝑃 = 0 → −3,024𝑃 + 𝑅𝐴 = 0 𝑅𝐴 = 3,024𝑃

Contudo, o valor estimado para o contrapeso (CP) é de aproximadamente 2,024 da força peso exercida pela viga, já a reação RA terá um coeficiente de 3,024. Se substituído os valores obtidos nas Equações 1 e 2 é verificado o equilíbrio da viga.

Caracterizado o estado mecânico da viga antes da carga de ensaio, agora se faz necessário verificar o estado após aplicação da carga de ensaio. A Figura 9 apresenta o diagrama de corpo livre (DCL) para este novo caso.

Figura 9. Diagrama de esforços para novo estado de equilíbrio mecânico

Com a carga de ensaio (CE) inserida, o equilíbrio estático é perturbado gerando momento e produzindo movimento na viga. Assim que o pino toca a superfície da amostra é produzida uma força na mesma direção, mas em sentido contrário à CE, denominada força normal (N). Novamente desenvolvendo as Equações 1 e 2 para o novo estado de equilíbrio.

Por meio do somatório de momentos temos:

∑ 𝑀𝐴= 0 → 𝐶𝐸 ∙ 212 − 𝑁 ∙ 212 = 0 → 𝐶𝐸 = 𝑁 Agora somatório das forças na direção Y:

∑ 𝐹⃗𝑦= 0 → −𝐶𝐸 + 𝑁 = 0 → 𝐶𝐸 = 𝑁

Portanto, neste novo estado de equilíbrio, o esforço (CE) produzido pela carga de ensaio possui mesmo módulo da componente da força normal na direção Y.

Bhushan (2002) explica que há uma relação de proporcionalidade entre a força normal e de atrito, de modo que a partir desta relação surge uma grandeza adimensional conhecida como coeficiente de atrito, que pode ser dividido ainda entre estático ou dinâmico.

O coeficiente de atrito estático é determinado no instante de iminência do movimento relativo entre as superfícies atritadas enquanto que o coeficiente de atrito dinâmico ocorre no instante em que há movimento relativo entre as superfícies (Halliday, 1996). A Equação 3 expressa a relação entre força normal, de atrito e coeficientes estático ou dinâmico.

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Então, através da Equação (3) é possível determinar a força de atrito que interage no tribossistema investigado. O motor elétrico WEG W22 - 1,5 CV foi selecionado para transmitir potência e realizar o movimento de rotação que caracteriza o tribômetro em desenvolvimento. A seguir na Tabela 1 são apresentadas as especificações do motor, as quais também caracterizam o dispositivo objeto deste estudo.

Tabela 1. Especificações técnicas do motor WEG – W22 – 1,5 CV

Potência Nominal (W) 1100

Rotações (RPM) 3535

Torque (N·m) 2,97

4. CONCLUSÃO

Neste artigo foram apresentados aspectos relacionados ao projeto e caracterização de um tribômetro do tipo pino sobre disco. Para tanto, foram estabelecidas premissas básicas para que se fosse desenvolvido um equipamento funcional, capaz de ensaiar pequenas amostras de material e reduzir os erros das fontes de incerteza de medição.

Contudo é possível afirmar que o tribômetro desenvolvido atende as premissas de projeto estabelecidas. Para que seja reduzida a instabilidade de regiões que realizam movimento relativo, foram adicionados mancais e rolamentos, também uma base metálica maciça, capaz de acomodar os demais componentes do equipamento.

Do ponto de vista estrutural, foi constatado que, para que se atinja o equilíbrio estático, é necessária uma carga de contrapeso que produza o equivalente a 2,024 vezes a força peso que atua na viga. O motor selecionado também atende ao critério de 20 N para a carga máxima admissível de ensaio, além de possuir especificações semelhantes aos demais tribômetros disponíveis na literatura.

O sistema de aquisição de dados se mostra eficiente, pois possui um bom grau de precisão, além de ser amplamente utilizada comercialmente e na literatura. A adição do conversor no projeto ampliou a resolução de medição do tribômetro em até 6 casas decimais.

Finalmente pode-se concluir que o projeto está pronto para ser fabricado e poderá contribuir no desenvolvimento de pesquisas de engenharia de superfícies.

5. REFERÊNCIAS

ACCADROLLI, G.; DE VERNEY, J. C. K. Desenvolvimento de um dispositivo para ensaios tribológicos do tipo pino sobre disco. 6º Seminário de Inovação e Tecnologia do IFSul, [s. l.], 2017.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS. ASTM G99-17. Method for Wear Testing With a Pin on Disc Apparatus, [S. l.], 2020.

BHUSHAN, Bharat. Introduction to Tribology. New York: Wiley & Sons, 2013.

CAPPELLARO, Jéssica. Caracterização da superfície de materiais de fricção. 2014. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, [S. l.], 2014.

DOS SANTOS, José Pedro Gonçalves. Projeto mecânico de um tribómetro bloco - disco. 2019. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Instituto Superior de Engenharia do Porto, [S. l.], 2019.

DOWSON, D. History of Tribology. Inglaterra: Longman Group Limited, 1979.

EGUTI, Carlos César Aparecido. Desenvolvimento de um circuito eletrônico experimental de anemômetro de fio a quente. 2005. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânico) - Universidade Estadual Paulista "Julio de Mesquita Filho", [S. l.], 2005.

FERRAZ, Carolina. Caracterização das ligas de ferro fundido de coquilhamento indefinido utilizadas na fabricação de cilindros para laminação a quente. 2019. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Paulo, [S. l.], 2019.

GERTZ, LC. Estudo das forças aplicadas pelos dedos durante a digitação em teclados de computador. 2001. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, [S. l.], 2001. HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos da Física. Rio de Janeiro: LTC, 1996.

HIBBELER, Russel C. Estática: Mecânica para Engenharia. São Paulo: Pearson, 2011.

HOLMBERG, Kenneth; ERDEMIR, Ali. Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions. Friction, [s. l.], 2017.

JACOBSEN, Saulo Davila. Caracterização estrutural, mecânica e tribológica do aço AISI H13 nitretado por plasma em diferentes condições de densidade de corrente e temperatura. 2014. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, [S. l.], 2014.

MARTINS, José Pedro Lopes. Estudo, conceção, desenvolvimento e construção de um tribómetro linear para ensaios em superfícies flexíveis. 2013. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade do Minho, [S. l.], 2013.

(8)

MENDONÇA, Rannier Marques. Desenvolvimento e caracterização de nanocompósito de resina de epóxi com nanopartículas de sílica para revestimento de dutos para transporte de petróleo. 2009. Disse (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, [S. l.], 2009.

VERDI, Josue. Dispositivo pino-disco para análise de desgaste na presença de diesel e biodiesel. 2011. Dissertação (Mestrado em Engenharia e Tecnologia de Materiais) - Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, [S. l.], 2011.

ZANETTI, George Lucas de Paula Guedes. Análise do comportamento tribológico de plásticos de engenharia utilizando um tribômetro. 2015. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, [S. l.], 2015.

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

COORDENAÇÃO DO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Natal, 28 de abrilde 2021.

Ao(s)vinte e oitodia(s) do mês deabrildo ano dedois mil e vinte e um,

àsquatorzehoras, via google meet, neste Campus Universitário, instalou-se a

banca examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso do(a) aluno(a)YALE

HENRIQUE ARAUJO DOS SANTOS,matrícula 20190002192, do curso de

Engenharia Mecânica. A banca examinadora foi composta pelos seguintes

membros:MAXWELL SANTANA LIBÓRIO,orientador;THERCIO HENRIQUE DE

CARVALHO

COSTA,coorientador;

WILLYAM

BRITO

DE

ALMEIDA

SANTOS,examinadorexterno; LEONARDO CHAGAS DA SILVA,examinador

externo. Deu-se início à abertura dos trabalhospelo MAXWELL SANTANA

LIBÓRIO,que após apresentar os membros da banca examinadora, solicitou a (o)

candidato(a) que iniciasse a apresentação do trabalho de conclusão de curso,

intitulado

“PROJETO MECÂNICO DE TRIBÔMETRO DO TIPO PINO SOBRE

DISCO”, marcando um tempo de trintaminutos para a apresentação. Concluída a

exposição,MAXWELL

SANTANA

LIBÓRIO,orientador,

passou

a

palavra

aosexaminadorespara arguirem o(a) candidato(a); após o que fez suas

considerações sobre o trabalho em julgamento; tendo sido Aprovado,o(a)

candidato(a), conforme as normas vigentes na Universidade Federal do Rio Grande

do Norte. A versão final do trabalho deverá ser entregue à Coordenação do Curso

de Engenharia Mecânica, no prazo de 07 dias; contendo as modificações sugeridas

pela banca examinadorae constante na folha de correção anexa. Conforme o que

rege o Projeto Político Pedagógico do Curso de Engenharia Mecânica da UFRN,

o(a) candidato(a) não será o aprovado(a) se não cumprir as exigências acima.

________________________________________

MAXWELL SANTANA LIBÓRIO

Orientador

________________________________________

THERCIO HENRIQUE DE CARVALHO COSTA

Examinador interno

________________________________________

WILLYAM BRITO DE ALMEIDA SANTOS

Examinador externo

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