Surface functionalization with antibacterial and bioactive compounds using hybrid techniques (subtractive and addictive) via laser for the improvement of knee prostheses properties

Dissertação de mestrado integrado em Biomedical Engineering (área de especialização em Biomaterials, Rehabilitation and Biomechanics)Knee arthroplasty is a surgical procedure that consists in the removal of the entirety or part of the knee joint, extracting damaged cartilage and replacing it with a prosthesis or implant. Thus, knee prostheses are devices that replace the function of the joint. They have different components, each with a specific function and composed of different materials. However, their longevity is still relatively short, about 15 years, and the use of materials with inadequate mechanical properties can lead to the appearance of undesirable phenomena that contribute to an even earlier prosthesis removal. That being said, it is important to find solutions to improve not only the functionality of these implants, but also their longevity. Therefore, this work focuses on the modification of materials typically used in these implants, such as zirconia and titanium, through a hybrid (subtractive and additive) laser processing technique. Patterns were thus created on the surface of the materials, and bioactive compounds (hydroxyapatite and mineral trioxide aggregate) were incorporated into them, in order to improve the bioactivity and consequent functionality and longevity of the knee prostheses. Firstly, samples of the base materials in question were created and textured using different strategies and varying laser parameters such as power, speed and number of passes. The bioactive materials were then deposited and incorporated on the surface of the samples using different techniques, such as CO2 laser sintering, conventional furnace method or deposition using a spatula. Finally, mechanical tests were performed in order to analyse and evaluate the properties of the produced samples. These include SEM-EDS, wettability, friction tests and cell viability tests. Results show that the laser texturing was considered an effective and reliable method to produce different structures throughout the samples without compromising its mechanical properties. The employed functionalization techniques were successful, as mechanically interlocked and thick coatings were created. The incorporation of said coatings had a significant effect on the surface energy of the samples, since wettability tests showed that contact angle of the samples is reduced after the addition of the bioactive layer. Friction tests comproved the adherence of bone to the surface of functionalized samples, while biological tests revealed the bioactive potencial of the MTA coating. In conclusion, textured samples were successfully produced and afterwards functionalized using different techniques. These surfaces showed promising results in both mechanical and biological tests, as this new approach for the development of functionalized knee prostheses is validated.A artroplastia do joelho é um procedimento cirúrgico que consiste na remoção da totalidade ou de parte da articulação do joelho, retirando cartilagem danificada e substituindo a mesma por uma prótese ou implante. Assim, as próteses do joelho são dispositivos que substituem a função da articulação, possuindo diferentes componentes, cada um deles com uma função específica e compostos por materiais distintos. No entanto, a sua longevidade é ainda relativamente curta, de cerca de 15 anos, e a utilização de materiais com propriedades mecânicas desadequadas levam ao aparecimento de fenómenos indesejáveis que contribuem para a remoção da prótese de forma precoce. É então importante encontrar soluções para melhorar não só a funcionalidade destes implantes, mas também a sua longevidade. Assim, este trabalho foca-se na modificação de materiais tipicamente usados nestes implantes (zircónia e titânio) através de uma técnica de processamento híbrida (subtrativa e aditiva), via laser. Foram assim criados padrões na superfície dos materiais, e incorporados neles compostos bioativos (hidroxiapatite e agregado de trióxido mineral), de modo a melhorar a bioatividade e consequente funcionalidade e longevidade das próteses do joelho. Primeiramente, foram criadas e texturizadas as amostras dos materiais base em questão, utilizando diferentes estratégias e variando parâmetros do laser, como a potência, velocidade e número de passagens. Os materiais bioativos foram posteriormente incorporados na superfície das amostras através de diferentes técnicas, como sinterização a laser, forno ou deposição com recurso a uma espátula. Por último, foram efetuados testes mecânicos de modo a analisar e avaliar as propriedades das amostras produzidas, como o SEM-EDS, molhabilidade, testes de fricção e testes de viabilidade celular. Resultados mostram que a texturização a laser foi considerada um método eficiente na produção de diferentes estruturas superficiais. As técnicas de funcionalização foram bem-sucedidas, já que camadas espessas de bioativos foram aprisionadas na superfície. A adição destes materiais afetou a energia da superfície, já que os testes de molhabilidade mostraram uma redução do ângulo de contacto após deposição. Testes de fricção comprovam a adesão de osso na superfície das amostras funcionalizadas, enquanto que os testes biológicos revelaram o potencial bioativo do revestimento de MTA. Concluindo, amostras texturizadas foram produzidas e posteriormente funcionalizadas através de técnicas variadas. Estas superfícies demonstraram resultados promissores tanto em termos biológicos como mecânicos, sendo a abordagem de funcionalização proposta validada

Proof-of-concept of a single-point Time-of-Flight LiDAR system and guidelines towards integrated high-accuracy timing, advanced polarization sensing and scanning with a MEMS micromirror

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Física (área de especialização em Dispositivos, Microssistemas e Nanotecnologias)The core focus of the work reported herein is the fulfillment of a functional Light Detection and Ranging (LiDAR) sensor to validate the direct Time-of-Flight (ToF) ranging concept and the acquisition of critical knowledge regarding pivotal aspects jeopardizing the sensor’s performance, for forthcoming improvements aiming a realistic sensor targeted towards automotive applications. Hereupon, the ToF LiDAR system is implemented through an architecture encompassing both optical and electronical functions and is subsequently characterized under a sequence of test procedures usually applied in benchmarking of LiDAR sensors. The design employs a hybrid edge-emitting laser diode (pulsed at 6kHz, 46ns temporal FWHM, 7ns rise-time; 919nm wavelength with 5nm FWHM), a PIN photodiode to detect the back-reflected radiation, a transamplification stage and two Time-to-Digital Converters (TDCs), with leading-edge discrimination electronics to mark the transit time between emission and detection events. Furthermore, a flexible modular design is adopted using two separate Printed Circuit Boards (PCBs), comprising the transmitter (TX) and the receiver (RX), i.e. detection and signal processing. The overall output beam divergence is 0.4º×1º and an optical peak power of 60W (87% overall throughput) is realized. The sensor is tested indoors from 0.56 to 4.42 meters, and the distance is directly estimated from the pulses transit time. The precision within these working distances ranges from 4cm to 7cm, reflected in a Signal-to-Noise Ratio (SNR) between 12dB and 18dB. The design requires a calibration procedure to correct systematic errors in the range measurements, induced by two sources: the timing offset due to architecture-inherent differences in the optoelectronic paths and a supplementary bias resulting from the design, which renders an intensity dependence and is denoted time-walk. The calibrated system achieves a mean accuracy of 1cm. Two distinct target materials are used for characterization and performance evaluation: a metallic automotive paint and a diffuse material. This selection is representative of two extremes of actual LiDAR applications. The optical and electronic characterization is thoroughly detailed, including the recognition of a good agreement between empirical observations and simulations in ZEMAX, for optical design, and in a SPICE software, for the electrical subsystem. The foremost meaningful limitation of the implemented design is identified as an outcome of the leading-edge discrimination. A proposal for a Constant Fraction Discriminator addressing sub-millimetric accuracy is provided to replace the previous signal processing element. This modification is mandatory to virtually eliminate the aforementioned systematic bias in range sensing due to the intensity dependency. A further crucial addition is a scanning mechanism to supply the required Field-of-View (FOV) for automotive usage. The opto-electromechanical guidelines to interface a MEMS micromirror scanner, achieving a 46º×17º FOV, with the LiDAR sensor are furnished. Ultimately, a proof-of-principle to the use of polarization in material classification for advanced processing is carried out, aiming to complement the ToF measurements. The original design is modified to include a variable wave retarder, allowing the simultaneous detection of orthogonal linear polarization states using a single detector. The material classification with polarization sensing is tested with the previously referred materials culminating in an 87% and 11% degree of linear polarization retention from the metallic paint and the diffuse material, respectively, computed by Stokes parameters calculus. The procedure was independently validated under the same conditions with a micro-polarizer camera (92% and 13% polarization retention).O intuito primordial do trabalho reportado no presente documento é o desenvolvimento de um sensor LiDAR funcional, que permita validar o conceito de medição direta do tempo de voo de pulsos óticos para a estimativa de distância, e a aquisição de conhecimento crítico respeitante a aspetos fundamentais que prejudicam a performance do sensor, ambicionando melhorias futuras para um sensor endereçado para aplicações automóveis. Destarte, o sistema LiDAR é implementado através de uma arquitetura que engloba tanto funções óticas como eletrónicas, sendo posteriormente caracterizado através de uma sequência de testes experimentais comumente aplicáveis em benchmarking de sensores LiDAR. O design tira partido de um díodo de laser híbrido (pulsado a 6kHz, largura temporal de 46ns; comprimento de onda de pico de 919nm e largura espetral de 5nm), um fotodíodo PIN para detetar a radiação refletida, um andar de transamplificação e dois conversores tempo-digital, com discriminação temporal com threshold constante para marcar o tempo de trânsito entre emissão e receção. Ademais, um design modular flexível é adotado através de duas PCBs independentes, compondo o transmissor e o recetor (deteção e processamento de sinal). A divergência global do feixe emitido para o ambiente circundante é 0.4º×1º, apresentando uma potência ótica de pico de 60W (eficiência de 87% na transmissão). O sensor é testado em ambiente fechado, entre 0.56 e 4.42 metros. A precisão dentro das distâncias de trabalho varia entre 4cm e 7cm, o que se reflete numa razão sinal-ruído entre 12dB e 18dB. O design requer calibração para corrigir erros sistemáticos nas distâncias adquiridas devido a duas fontes: o desvio no ToF devido a diferenças nos percursos optoeletrónicos, inerentes à arquitetura, e uma dependência adicional da intensidade do sinal refletido, induzida pela técnica de discriminação implementada e denotada time-walk. A exatidão do sistema pós-calibração perfaz um valor médio de 1cm. Dois alvos distintos são utilizados durante a fase de caraterização e avaliação performativa: uma tinta metálica aplicada em revestimentos de automóveis e um material difusor. Esta seleção é representativa de dois cenários extremos em aplicações reais do LiDAR. A caraterização dos subsistemas ótico e eletrónico é minuciosamente detalhada, incluindo a constatação de uma boa concordância entre observações empíricas e simulações óticas em ZEMAX e elétricas num software SPICE. O principal elemento limitante do design implementado é identificado como sendo a técnica de discriminação adotada. Por conseguinte, é proposta a substituição do anterior bloco por uma técnica de discriminação a uma fração constante do pulso de retorno, com exatidões da ordem sub-milimétrica. Esta modificação é imperativa para eliminar o offset sistemático nas medidas de distância, decorrente da dependência da intensidade do sinal. Uma outra inclusão de extrema relevância é um mecanismo de varrimento que assegura o cumprimento dos requisitos de campo de visão para aplicações automóveis. As diretrizes para a integração de um micro-espelho no sensor concebido são providenciadas, permitindo atingir um campo de visão de 46º×17º. Conclusivamente, é feita uma prova de princípio para a utilização da polarização como complemento das medições do tempo de voo, de modo a suportar a classificação de materiais em processamento avançado. A arquitetura original é modificada para incluir uma lâmina de atraso variável, permitindo a deteção de estados de polarização ortogonais com um único fotodetetor. A classificação de materiais através da aferição do estado de polarização da luz refletida é testada para os materiais supramencionados, culminando numa retenção de polarização de 87% (tinta metálica) e 11% (difusor), calculados através dos parâmetros de Stokes. O procedimento é independentemente validado com uma câmara polarimétrica nas mesmas condições (retenção de 92% e 13%)

Estudo do efeito da temperatura de interpasse e de pré-aquecimento no processo de soldagem por múltiplos passos no reparo de pás de turbinas hidráulicas

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018.O aço inoxidável martensítico ASTM A743 CA6NM é tipicamente utilizado na produção de turbinas hidroelétricas, devido a sua elevada resistência à cavitação. Essas turbinas são fabricadas em processos separados de fundição seguido de um tratamento térmico e de acabamento superficial com subsequente acoplamento por meio de um processo de soldagem, em que um material semelhante é utilizado, normalmente, o AWS 5.22 EC410NiMo. Uma vez que eles têm grandes espessuras, normalmente, a soldagem de reparo ocorre em vários passos, a fim de preencher a cavidade danificada. Após o processo de soldagem, normalmente em toda a turbina é feito um tratamento térmico final, que é realizado em grandes fornos para que seja possível atingir uma temperatura uniforme em toda as partes. Portanto, existem fortes fatores técnicos e econômicos que motivam o desenvolvimento de procedimentos de reparo sem tratamento térmico posterior à soldagem (TTPS), que garantam propriedades mecânicas aceitáveis e boa performance estrutural. O objetivo principal desse trabalho é analisar as propriedades térmicas, mecânicas e microestruturais desses materiais soldados pelo processo GMAW em múltiplos passos com controle das temperaturas de pré-aquecimento (TPA) e interpasse (TI), estabelecendo procedimentos de otimização no processo de reparo das pás das turbinas hidráulicas, evitando o TTPS. Para tal, por meio de dados obtidos de estudos prévios das temperaturas de transformação martensítica (Ms e Mf), foram definidos 5 conjuntos de temperaturas para análise: Amostra 1: TPA: 100ºC e TI: 150ºC; Amostra 2: TPA: 150ºC e TI: 150ºC; Amostra 3: TPA: 200ºC e TI: 150ºC; Amostra 4: TPA: 180ºC e TI: 180ºC; e Amostra 5: TPA: 200ºC e TI: 200ºC. Após a soldagem com esses parâmetros, foram realizadas investigações microestruturais (laser confocal e eletrônica de varredura), levantamento de composição química dos metais (espectrometria de fluorescência de raios-X), difratometria de raios-X (DRX) para análise das fases constituintes de várias regiões, calorimetria diferencial de varredura (DSC) para conhecimento dos dados da transformação martensítica em atmosfera inerte, avaliação da energia envolvida na soldagem (aporte térmico) e acompanhamento dos sucessivos ciclos térmicos envolvidos na soldagem, atuantes em cada passe de solda. A microestrutura predominante em grande parte das regiões analisadas é martensítica com morfologia em ripas, típicas em aços inox com baixo teor de carbono. Ferrita ẟ e austenita retida foram evidenciadas em determinadas regiões. Outras fases em menor proporção apareceram. Os valores de Ms e Mf foram coerentes com a literatura e justificaram os valores escolhidos para TPA e TI. Os valores de dureza e microdureza para determinadas regiões foram interessantes, ficando abaixo do estipulado pela norma. O aporte térmico calculado resultou em valores baixos comparados a outras pesquisas, reduzindo o custo de reparo e não influenciando na redução da tenacidade do material. A amostra 2, de TPA e TI igual a 150ºC proporcionaram os melhores resultados, possibilitando a execução do reparo de pás de turbina sem TTPS.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).The martensitic stainless steel ASTM A743 CA6NM is typically used in the production of hydroelectric turbines, due to their high resistance to cavitation. These turbines are manufactured in separate processes of casting followed by a heat treatment and surface finish with subsequent engagement by means of a welding process, in which a similar material is usually used, the AWS 5.22 EC410NiMo. Since they have large thicknesses, typically the repair welding is carried out in several layers in order to fill the damaged cavity. After the welding process, usually the whole turbine runner is subjected to a final heat treatment, which is carried out in large furnaces thus providing a means of achieving a uniform temperature in all parts. Therefore, there are strong technical and economic factors that motivated the development of repair procedures without post welding heat treatment (PWHT), to ensure acceptable mechanical properties and good structural performance. The main objective of this study is to analyze the thermal, mechanical and microstructural properties of these materials welded by the GMAW process in multiple steps with control of the preheating temperature (PHT) and interpass temperature (IT), establishing optimization procedures in the repair process of hydraulic turbine blades, avoiding TTPS. For this, through data obtained from previous studies of the martensitic transformation temperatures (Ms and Mf), 5 sets of temperatures were defined for analysis: Sample 1: PHT: 100°C and IT: 150°C; Sample 2: PHT: 150°C and IT: 150°C; Sample 3: PHT: 200°C and IT: 150°C; Sample 4: PHT: 180°C and IT: 180°C; and Sample 5: PHT: 200°C and IT: 200°C. After welding with these parameters, microstructural investigations (confocal laser and scanning electron), chemical composition of the metals (X-ray fluorescence spectrometry), X-ray diffractometry (XRD) to analyze the constituent phases of several regions, differential scanning calorimetry (DSC) to know the data of the martensitic transformation in inert atmosphere, evaluation of the energy involved in the welding (thermal input) and monitoring the successive thermal cycles involved in the welding, acting on each welding pass. The predominant microstructure in most of the analyzed regions is martensitic with lath morphology, typical in stainless steels with low carbon content. ẟ Ferrite and retained austenite were observed in certain regions. Other phases in lower proportions appeared. The values of Ms and Mf were consistent with the literature and justified the values chosen for PHT and IT. The hardness and microhardness values for certain regions were interesting, being below the standard stipulated value. The calculated thermal input resulted in low values compared to other researches, reducing the cost of repair and not influencing in the reduction of the tenacity of the material. Sample 2, of PHT and IT equal to 150ºC provided the best results, allowing the execution of the repair of turbine blades without TTPS

A Responsabilidade Social Empresarial (RSE) como vantagem competitiva na Gestamp Cerveira

Mestrado em Gestão das Organizações: Ramo de Gestão de Empresas (parceria com a APNOR) na Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Viana do CasteloA dissertação apresentada tem como objetivo analisar, segundo o ponto de vista interno da empresa, de que forma a Responsabilidade Social Empresarial (RSE) é uma vantagem competitiva. O estudo incidiu sobre a Gestamp Cerveira, uma empresa pertencente ao setor automóvel, que neste caso é uma fornecedora de componentes metálicos para as marcas de automóveis. Tendo por base que a RSE tem um efeito positivo na competitividade das empresas, e dado que a unidade em estudo já conta com algumas medidas socialmente responsáveis, analisou-se, segundo a perspetiva de uma amostra de colaboradores com cargos técnicos, de chefia intermédia e de direção, se a RSE pode ser vantajosa para a empresa, na medida em que aumenta a sua competitividade, beneficia a sua imagem e reputação, motiva os seus colaboradores e leva à captação de talentos para a empresa. Da mesma forma, analisou-se se o Gestor de Recursos Humanos é quem tem o papel mais importante na implementação da RSE na empresa. As análises realizadas (descritiva e de frequências), permitiram concluir que a RSE é uma vantagem competitiva para a empresa, não porque incrementa o lucro, porque não acrescenta valor ao produto, mas porque leva à promoção (interna) da criatividade, da inovação e capta a atenção dos atuais clientes. No que concerne à imagem e reputação, a RSE é um fator potenciador de ambas, tal como contribui amplamente para a motivação dos colaboradores, fazendo com que o know-how destes se “fidelize” à empresa. Na Gestamp Cerveira, não é o Gestor de Recursos Humanos quem tem o papel mais importante na implementação da RSE, mas sim o Gerente da empresa.The thesis hereby presented aims to analyse how can the Corporate Social Responsibility become a competitive advantage, from the company’s internal point of view. The research occurred in Gestamp Cerveira, an automotive industry company, which supplies metal components to car brands. Based on the fact that CSR has a positive effect on company’s competitiveness, and considering that the study unit already relies on some socially responsible measures, it was analysed from the perspective of a sample of technicians and management workers, if CSR can be profitable for the company, when it comes to the company’s competitiveness, image and reputation benefits, worker motivation and new talents capture. This way, it was also analysed if the Human Resources Managers is the most important role when implementing CSR in the company. The analysis performed (descriptive and frequency) allowed us to conclude that CSR is a competitive advantage for the company, not because it increases profit, as it doesn’t add any value to the product, but because it promotes creativity and innovation internally, and captures the attention of current customers. Regarding image and reputation, CSR is a factor that can boost both, as well as it contributes greatly for workers’ motivation, making their know-how “loyal” to the company. At Gestamp Cerveira, it’s the HR manager role is not the most important. This place belongs to the plant manager.La disertación presentada tiene como objetivo analizar según el punto de vista interno de la empresa, de que forma la Responsabilidad Social Corporativa (RSC) es una ventaja competitiva. El estudio se ha hecho sobre Gestamp Cerveira, una empresa del setor automóvil, proveedora de componentes metálicos para las marcas de automóviles. Teniendo por base, que la RSC, tiene un efecto positivo en la competitividad de las empresas, y una vez que la unidad en estudio ya tiene implantada algunas medidas socialmente responsables, se ha analizado según la perspectiva de una muestra de colaboradores con cargos técnicos, de mando intermedio y de dirección, si la RSC puede ser ventajosa para la empresa, en la medida que amplía su competitivad, trayendo beneficios para su imagen, reputación, motivando a sus colaboradores y facilitando la captura de talentos para la empresa. De la misma forma, se ha analizado, si el Gestor de Recursos Humanos es quién tiene el papel más importante en la implantación de la RSC en la empresa. El análisis llevado a cabo (descriptiva y de frecuencia), permitió concluir que la RSC es una ventaja competitiva para la empresa, no incrementa el lucro de la misma, ni del producto, pero si la promoción (interna) de la creatividad, innovación y capta la atención de los clientes actuales. Cuanto a la imagen y reputación, la RSC es un factor potenciador de ambas, tal como contribución constante para la motivación de los colaboradores, haciendo con que el know-how de estos “se fidelice” a la empresa. En Gestamp Cerveira, no es el Gestor de Recursos Humanos, que tiene el papel más importante en la implantación de la RSC, pero el Gerente de la empresa

Processo de deposição e propriedades de filmes de dióxido de titânio obtidos por "laser ablation"

Orientador: Mário Antônio Bica de MoraesTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: Este trabalho descreve os estudos do processo de deposição a laser de TiO2, assim como algumas propriedades dos alvos utilizados e dos filmes depositados. O objetivo era a obtenção de filmes para serem utilizados como elemento de composição em componentes ópticos de precisão. Foram utilizados três diferentes lasers pulsados: CO2, Nd:YAG e Vapor de Cobre, oscilando nos comprimentos de onda tradicionais, ou seja, sem dobrar freqüências de emissão. A taxa de repetição dos lasers variou de 1 Hz para o laser de CO2 até 18 kHz para o laser de vapor de co-bre. Os lasers e a câmara de evaporação foram desenvolvidos no Instituto de Estudos Avançados IEAv - CTA, onde os trabalhos de deposição foram realizados. A espessura dos filmes depositados foi obtida por três processos diferentes: balança, osci-lador/cristal de quartzo e interferometria, a fim de verificar se havia influência do processo de de-posição no comportamento do cristal de quartzo. Como não houve influência, foram obtidos então os resultados de taxa de deposição, como função do tempo para diferentes condições de deposi-ção. Os alvos foram tratados termicamente, para verificar a influência do material de partida, não tendo sido observadas diferenças nos filmes obtidos. Os filmes foram caracterizados por téc-nicas ópticas (Método do Envelope), difração de raios X, XPS e microscopia eletrônica de varre-dura. Foram obtidos filmes uniformes, aparentemente sem os defeitos normalmente causados pela deposição a laser. Os filmes, como depositados, apresentaram alguma absorção, o que invia-biliza a sua utilização sem tratamento térmicoAbstract: This work presents the results of a laser deposition process of TiO2, target and thin film properties. The aim was to obtain thin films to be part of a multilayer coating for precision optical components. Three different pulsed lasers were used to deposit the films: CO2, Nd:YAG and Copper Vapor Lasers, LVC, all of them oscillating in their natural modes, i.e., without any apparatus to double the emission frequency. The repetition rate of the laser was as low as 1 Hz for CO2 and as high as 18kHz for LVC. The evaporation chamber and the lasers were developed at the Instituto de Estudos Avançados, IEAv-CTA, where the films were deposited. Mass measurement, quartz crystal oscillator and interferometry evaluated the films thick-ness, to check if the deposition process could affect the results obtained by the crystal oscillator. As no influence was detected, the crystal oscillator was used to measure the deposition rate of the films, as function of time, for different deposition conditions. The targets received a thermal treatment, to verify the influence of starting materials on the obtained films. The films were analyzed by Envelop Method (optical properties), X-ray, XPS and SEM. Uniform films were obtained, without the defects normally found when using laser deposi-tion. Films deposited at room temperature (as deposited) presented some absorption, which obliges the use of thermal treatmentDoutoradoFísicaDoutor em Ciência