BRPI0715565A2

BRPI0715565A2 - mÉtodos e aparelho para fazer revestimentos usando pulverizaÇço eletrostÁtica

Info

Publication number: BRPI0715565A2
Application number: BRPI0715565-4A2A
Authority: BR
Inventors: Malshe Ajay; Jiang Wenping; Justin B Lowrey
Original assignee: Univ Arkansas Board Of Regents; Nanomech Llc
Priority date: 2006-10-19
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2013-07-02
Also published as: CN101553359B; CA2667004C; KR20090099518A; WO2008051433A3; EP2084000A2; AU2007309597B2; IL198197A; JP2013240792A; US8758863B2; JP2010506721A; US20110033631A1; AU2007309597A8; CN101553359A; EP2084000B1; EP2084000A4; MX2009004149A; KR20140125428A; IL198197A0; JP5704814B2; KR101478985B1

Abstract

MÉTODOS E APARELHO PARA FAZER REVESTIMENTOS USANDO PULVERIZAÇçO ELETROSTÁTICA. Métodos para criar revestimentos compostos de um material único ou de um composto de materiais múltiplos, iniciando com ESC para depositar a camada base e, então, usando outros métodos para a etapa de aglutinação além de CVI. Também, para certos materiais e aplicações, algum pré-processamento ou pré-tratamento dos materiais de revestimentos é necessário antes da deposição, de modo a atingir um revestimento satisfatório. Este pedido revela métodos para tratamento de pré-deposição de materiais antes da deposição por ESC. Ele também revela métodos para pós-processamento que provêem características de funcionalidade ou desempenho adicionais para o revestimento. Finalmente, este pedido revela um aparelho e equipamento para executar os métodos descritos aqui.

Description

"MÉTODOS E APARELHO PARA FAZER REVESTIMENTOS USANDO PULVERIZAÇÃO ELETROSTÁTICA"

Este pedido reivindica prioridade do pedido de patente provisório Norte-Americano número de série 60/852.931, intitulado "Methods and Apparatus for Making Coatings Using Electrostatic Spray," e depositado em 19 de outubro de 2006.

HISTÓRICO DA INVENÇÃO"

A presente invenção se refere a métodos e aparelho para fazer revestimentos e artigos de várias composições de material envolvendo o uso de pulverização eletrostática como o método principal de deposição de revestimento. Estes revestimentos podem ser usados para uma variedade de aplicações, incluindo, por exemplo, revestimentos resistentes à abrasão para ferramentas de corte e partes que sofrem desgaste, revestimentos lubrificantes sólidos para ferramentas e partes que sofrem desgaste, revestimentos bioamigável ou biocida para implantes biomédicos, e revestimentos de filme finos para microeletrônicos, entre outros. Usando os. processos e projetos de equipamento descritos na seção de descrição detalhada aqui, revestimentos podem ser aplicados a muitos substratos e peças diferentes tendo geometrias

tridimensionais simples ou complexas.

A Patente Norte-Americana Número 6.607.782 emitida em 19 de agosto de 2003 de Ajay P. Malshe, et al. , revelou um método que usa revestimento de pulverização eletrostática (ESC) para depositar uma camada base ou pré-formação em um substrato, seguida por infiltração de vapor químico (CVI) para introduzir uma fase de aglutinador que cria um revestimento composto com boa aderência do aglutinador às partículas da fase inicial e aderência do revestimento composto ao substrato.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção compreende métodos adicionais para criar revestimentos compostos de um material único ou um composto de materiais múltiplos, iniciando com ESC para deposição da camada base e, então, usando outros métodos para a etapa de aglutinação além de CVI. ESC seguido por CVI tem sido usado com sucesso para criar revestimentos compostos compreendidos de nitreto de boro cúbico (cBN) e nitreto de titânio (TiN), em substratos de carboneto. Entretanto, devido ao fato do CVI expor o substrato a temperaturas elevadas, ele não é adequado para certos materiais que podem ser danificados ou terem suas propriedades degradadas pela alta temperatura. Também, CVI como uma etapa de aglutinação, não é prático para aplicações que envolvam áreas superficiais muito grandes devido ao tamanho limitado dos reatores CVI. Devido a estas e a outras limitações, nós planejamos meios adicionais de aplicação de uma segunda fase aos revestimentos verdes iniciais depositados usando ESC. Os novos processos de revestimentos de duas etapas que resultam são revelados neste pedido.

Também, para certos materiais e pedidos, algum pré-processamento ou pré-tratamento dos materiais de revestimento é necessário antes da deposição, de modo a atingir um revestimento satisfatório. A invenção em várias configurações compreende métodos para tratamento de pré-deposição de materiais antes da deposição por ESC. Ela também compreende, em várias configurações, métodos para pós-processamento que provêem características de funcionalidade ou desempenho adicionais do revestimento. Finalmente, a invenção, em várias configurações, compreende certos aparelhos e equipamentos para executar os métodos descritos aqui.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Figura 1 ilustra o processo de revestimento de

duas etapas, incluindo uma deposição inicial de uma camada de revestimento de base ou verde, seguida por uma etapa de tratamento de pós-deposição.

A Figura 2 mostra o caso no qual um tratamento de pré-deposição é aplicado aos materiais de revestimento antes da deposição.

A Figura 3 ilustra um fluidizador, usado para separar partículas de pó seco, evitar aglomeração, e preferivelmente alimentar partículas ultrafinas para o sistema de deposição.

A Figura 4 ilustra um moinho a jato, que ajuda a desaglomerar pós usando forças aerodinâmicas.

A Figura 5 mostra uma pulverização de aerossol usada para desaglomerar pós conforme eles são alimentados no sistema de deposição.

A Figura 6 mostra a câmara de deposição usada para conter os materiais que estão sendo depositados, impedir liberação inaceitável para o _meio ambiente, permitir ajuste da pistola de pulverização em relação à distância do substrato, e capturar e reciclar materiais de revestimento não utilizados.

A Figura 7 ilustra um tablado de rotação usado para garantir deposição uniforme do revestimento no substrato.

A Figura 8 mostra fluidização integrada com o sistema de deposição incluindo a câmara.

A Figura 9 mostra o moinho a jato integrado com o sistema de deposição incluindo a câmara.

A Figura 10 ilustra um projeto de pistola ESC modificado que minimiza o acúmulo de material dentro da pistola e melhora a uniformidade de fluxo através da pistola.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS CONFIGURAÇÕES PREFERIDAS

São revelados aqui métodos e aparelho para produzir um revestimento em um substrato, iniciando com pulverização eletrostática para depositar uma camada de revestimento base ou verde.

PROCESSOS DE REVESTIMENTO DE DUAS ETAPAS - VISÃO

GERAL

A Figura 1 ilustra um processo de duas etapas para produzir um revestimento em um substrato. O substrato 170 é colocado em um sistema de deposição 200. Um ou mais materiais de revestimento 150 são introduzidos no sistema de deposição 200. Estes materiais de revestimento podem estar na forma de um pó seco ou suspensão de liquido, e podem conter partículas de tamanho nano- ou micro-, ou uma combinação dos dois. Materiais múltiplos podem ser combinados ou introduzidos separadamente no sistema de deposição 200. Uma variedade de materiais pode ser usada, incluindo nitretos, carbonetos, carbonitretos, boretos, óxidos,

sulfetos e silicietos. O sistema de deposição 200 pode usar qualquer um

dos vários métodos para produzir um revestimento inicial ou camada base no substrato. Um destes métodos de deposição é revestimento de pulverização eletrostática (ESC), conforme descrito na Patente Norte-Americana Número 6.544.599, emitida em 8 de abril de 2003, de William D. Brown, et al., e Patente Norte-Americana Número 6.607.782 emitida em 19 de agosto de 2003, de Ajay P. Malshe, et al. Deposição por ESC pode ser feita como pulverização de pó seco, ou como pulverização liquida usando uma dispersão do material de revestimento em um veiculo liquido adequado.

Aos a etapa de deposição inicial, partículas sólidas secas do material de revestimento estão em contato com o substrato. 0 substrato com deposição 270 é o resultado da etapa de deposição 200 conforme ilustrado na Figura 1.

O substrato 270 com deposição de uma camada base, então, passa por uma etapa de tratamento de pós-deposição 300. Tratamento de pós-deposição é usado para unir as partículas secas depositadas umas as outras e ao substrato. Métodos de tratamento adequados incluem:

• Infiltração de vapor químico (CVI), que é similar à deposição de vapor químico (CVD), porém usando uma taxa de reação mais lenta, de modo que o aglutinador infiltre na deposição de pós seco porosa, entrando em contato com o substrato

e com as partículas secas; e

• Sinterização, usando qualquer um dos vários métodos de sinterização alternativos, sozinhos ou em combinação, incluindo:

o Sinterização de microondas o Sinterização a laser

o Sinterização de infravermelho

Cada um destes métodos aplica um ou mais disparos curtos de alta energia (microonda, laser, infravermelho, ou alta temperatura e alta pressão) para sinterizar as partículas de deposição do revestimento inicial, unindo as mesmas entre si e ao substrato.

Um outro método de união é o uso de alta temperatura - alta pressão (HT-HP), um processo que é atualmente usado para uma variedade de objetivos, incluindo fabricação de compactos sólidos de nitreto de boro cúbico policristalino (PCBN). Em uma configuração desta invenção, HT-HP é usado como uma etapa de união pós-deposição para unir as partículas depositadas entre si e ao substrato.

Em algumas configurações, uma etapa de tratamento adicional (não mostrada nas Figuras) é aplicada após a etapa de tratamento de pós-deposição 300, para adicionar uma fase adicional ao revestimento. Um exemplo disto é o uso de revestimento de pulverização eletrostática ou deposição de pulverização ultrassônica como uma etapa final, após deposição e sinterização de um revestimento base, para o objetivo de aplicar agentes biológicos ativos ao revestimento base. Como um exemplo mais específico, um implante dentário ou outro dispositivo biomédico, possivelmente com uma camada superficial porosa, pode ser revestido usando ESC seguido por sinterização de microondas do revestimento base. Então, em uma etapa de deposição de pós- sinterização adicional, um agente ativo pode ser aplicado, tal como um agente biocida ou antibacteriano, outros agentes ativos tais como proteínas ósseo-morfogênicas, ou partículas carregando medicamentos para administração de medicamento na superfície do dispositivo após implante. Estes são apenas exemplos de como uma etapa de pós-processamento pode ser usada para aplicar componentes adicionais a um revestimento base para objetivos específicos.

Outras etapas adicionais de tratamento (não mostradas nas figuras) que podem ser aplicadas após tratamento de pós-deposição 300, podem ser usadas para aumentar a união do revestimento e para reduzir ou eliminar defeitos e não uniformidades no revestimento. Por exemplo, tratamentos adequados para revestimentos duros tais como aqueles usados para ferramentas de corte incluem alta temperatura - alta pressão (HT-HP) e sinterização por infravermelho (radiação infravermelha pulsada). Outros métodos usando fontes de energia transientes podem também ser usados para melhorar as características do revestimento final no substrato.

Conforme mostrado na Figura 2, algumas configurações da invenção incluem uma etapa de tratamento pré- deposição opcional 100. Materiais de revestimento não tratados 50 são tratados antes de serem passados como materiais de revestimento tratados 150 para o sistema de deposição 200. Pré- tratamento pode ser usado para desaglomerar as partículas de material de revestimento. Os métodos de pré-tratamento revelados aqui podem ser usados para tratar materiais antes da deposição do revestimento, ou para outros objetivos independentes de qualquer sistema de deposição do revestimento.

Como uma etapa de pré-processamento anterior à deposição, os métodos de pré-tratamento revelados aqui podem ser usados para qualquer um ou mais de um dos objetivos a seguir:

• Fluidização, descriminação e separação de tamanho - a fluidização ajuda a manter a separação de partículas de pó seco, reduz a aglomeração ou grumos de partículas, e permite preferivelmente alimentação de partículas ultrafinas ou partículas de tamanhos menores; outros métodos para discriminar e preferivelmente alimentar partículas menores também podem ser usados.

· Desaglomeração - é bem conhecido que

partículas ultrafinas e nanopartícuias, em especial, tendem a formar grumos ou aglomerar, formar coágulos ou 'aglomerados' que podem ser muito maiores que o tamanho de partícula base. Desaglomerar o material ajuda a reduzir o número e o tamanho de agregações, que ajuda a manter as características benéficas de partículas nano-dimensionadas, e melhorar a uniformidade e aspereza superficial do revestimento final, quando desejado com base na aplicação.

• Funcionalização - partículas podem ser funcionalizadas para objetivos específicos.

MÉTODOS E APARELHO PARA TRATAMENTO DE PRÉ-

DEPOSIÇÃO

Vários métodos e aparelhos para tratamento de pré-deposição de materiais são descritos aqui. Estes podem ser usados sozinhos, ou com os vários métodos/sistemas de deposição descritos aqui.

MÉTODO E APARELHO PARA FLUIDIZAÇÃO

Em uma configuração, pós secos consistindo de nanopartículas, micropartículas, ou combinações das mesmas, são fluidizados usando forças aerodinâmicas. A Figura 3 ilustra isto. Um leito fluidizado (11) recebe pó de entrada por meio de uma ou mais portas de entrada de pós (7) . 0 pó de entrada pode conter partículas de diferentes tamanhos, todos os quais são introduzidos ao leito fluidizado. Um suprimento de ar comprimido é provido através de um filtro adequado (1), medidor de fluxo (2) e válvula de controle (3) à entrada de ar do fluidizador (4) . A válvula de controle e o medidor de fluxo permitem o controle da taxa de fluxo de ar. 0 ar passa através de um leito de contas de silica (5), que ajudam a garantir fluxo de gás uniforme através da área de fluxo e, também, agem como um dessecante (as contas são periodicamente substituídas) . 0 ar, então, passa através de uma placa de fluidizador porosa (6) e entra na câmara acima, onde o pó é introduzido na porta de entrada (7) .

A taxa de fluxo de ar é ajustada de modo que forças aerodinâmicas colocam as partículas de pó em movimento, com as partículas menores se elevando para a parte superior do leito fluidizado (11). O resultado é um gradiente vertical de tamanho de partícula médio em relação à altura da coluna de fluxo de ar (8), com partículas maiores residindo na direção da parte inferior da coluna e partículas menores residindo na direção da parte superior. Múltiplas portas de saída de pó (9) são providas, permitindo o ajuste do tamanho de partículas retiradas do fluidizador. Um tubo de captação de pó (10) é colocado em uma das portas de saída (9) para remover partículas do fluidizador. As portas não usadas são tampadas. A provisão de múltiplas portas de saída provê a capacidade de alimentar preferivelmente partículas de pó ultrafinas por meio de ajuste da posição do tubo de captação de pó (movendo o mesmo de uma porta de saída para a outra) . Neste método, a fração de partículas que é ultrafina deve ser compensada em relação ao tempo de deposição devido à taxa de fluxo de massa menor de partículas ultrafinas. Em algumas configurações, vibração também pode ser aplicada em combinação com forças aerodinâmicas pela incorporação de vibradores (não mostrados) no fluidizador. A vibração de vibradores ajuda a incitar o movimento adicional de partículas de pó. Os vibradores usam energia de vibração mecânica criada por um motor com uma massa girando descentralizada em alta velocidade, ou energia acústica de ondas de som.

Agregações maiores do pó acumulam na parte inferior do leito fluidizado (11) e podem ser removidos manualmente como parte de uma operação de lote. Para operações em grande escala, isto pode ser automatizado pela provisão de uma característica de remoção de pó e reciclagem.

OUTROS MÉTODOS DE DISCRIMINAÇÃO DE TAMANHO E

ALIMENTAÇÃO

Um outro método de discriminação do tamanho das

partículas e, preferivelmente, de alimentação de partículas nano dimensionadas e ultrafinas, é por peneiramento do pó usando uma peneira de mícron. Uma peneira (placa perfurada ou tela) pode ser usada para retirar partículas maiores, coletando e alimentando apenas as partículas menores com base no tamanho das aberturas na peneira. Isto pode ser usado como opção para qualquer um dos métodos de tratamento de pré-deposição descritos aqui.

Ainda outros métodos para separar e alimentar partículas de certa faixa de tamanho, incluem o uso de gravidade, flutuação, e/ou forças centrífugas para separar partículas de diferentes tamanhos. Um exemplo é colocar as partículas em uma corrente fluida (usando ar, nitrogênio ou outro gás), e girar a direção desta corrente de modo que partículas maiores sejam atiradas para fora, onde elas são removidas e recicladas, enquanto partículas menores são carregadas a jusante para o sistema de deposição 200. Um segundo exemplo é criar um fluxo para cima de baixa velocidade de partículas arrastadas em um gás, de modo que a flutuação faça que as partículas menores se elevem, enquanto as partículas maiores tendem a cair devido a forças de gravidade que excedem as forças de flutuação. Partículas menores são removidas a partir da parte superior ou lateral e alimentadas para o sistema de deposição 200. DESAGLOMERAÇÃO

Métodos para desaglomerar partículas são descritos abaixo. Estes podem ser aplicados independentemente de qualquer sistema de deposição. Alguns destes métodos de desaglomeração serão descritos posteriormente em conjunto com pré- tratamento e métodos de deposição integrados, e aparelho para executar pré-tratamento e deposição.

Um método para desaglomeração é o uso de um moinho de jato para quebrar agregações através da colisão de jato de gás de alta pressão. O gás pode ser ar, nitrogênio, ou qualquer um dentre uma variedade de outros gases adequados. A Figura 4 ilustra o moinho de jato. Pó seco entra no moinho através de um funil de alimentação (3) . Duas fontes de ar (ou outro gás) são providas, uma fonte como ar de impulsão e a outra fonte como ar de moagem. O ar de impulsão entra na entrada de gás de alimentação (2), e ele carrega o pó de entrada para a câmara de moagem (6). Ar de moagem entra na entrada de ar de moagem (1) e é distribuído ao redor da câmara pela tubulação de ar de moagem (7) . Forças aerodinâmicas produzidas pelo ar de moagem causam impacto da mistura de ar de impulsão e partículas de pó contra uma parede sólida ou pivôs de colisão. Isto faz que aglomerações sejam desmanchadas, resultando em partículas mais finas que se concentram no centro da câmara de moagem. Estas são recolhidas pelo localizador de vórtice (5) , e as partículas finas de pó (ou micronizadas) (4) , então, saem do moinho por meio da saída de pó.

Um segundo método para desaglomeração é dispersar as partículas em um líquido onde o líquido possui certas propriedades que promovem dispersão e desaglomeração. Por exemplo, nós usamos um solvente tal como etanol, combinado com um surfactante que é neutro ou bipolar. A dispersão líquida pode ser acoplada com sonicação para ajudar a atingir e manter a dispersão desejada de partículas no líquido. A dispersão líquida pode ser alimentada diretamente no sistema de deposição (por exemplo, para ESC líquida) ou seca previamente à alimentação do material para o sistema de deposição (por exemplo, para ESC seca).

Um terceiro método de desaglomeração é dispersar as partículas em um líquido conforme observado acima e, então, adicionalmente desaglomerar e secar as partículas usando uma técnica de secagem de pulverização ultrassônica antes da alimentação do pó seco ao sistema de deposição. Secagem por pulverização ultrassônica envolve o uso de bico de pulverização ultrassônica, que atomiza a dispersão líquida e no processo quebra aglomerações através da ação de vibração ultrassônica. As gotas saem do bico ultrassônico e são, então, secas (por exemplo, via uma secadora de ciclone), evaporando o veículo líquido e deixando as partículas finas atrás na forma seca. Estas são, então, carregadas em uma corrente de gás para o sistema de deposição. Adicionalmente à desaglomeração das partículas, pulverização ultrassônica também ajuda a produzir partículas de tamanho uniforme pela criação de gotas de tamanho uniforme.

Um quarto método de desaglomeração é criar um aerossol que é alimentado ao sistema de deposição 200. A Figura 5 ilustra isto, mostrando um aparelho adequado para criar um aerossol. Pó é disperso em um líquido (veja discussões acima com referência a escolha de líquidos adequados para dispersão) e armazenados em uma câmara de armazenagem de fluido pressurizada (6). A câmara pode ser pressurizada usando uma sobrepressão de ar, nitrogênio, ou outro gás adequado. 0 líquido pressurizado com partículas arrastadas se torna um aerossol conforme ele sai da câmara por meio do bico de pulverização aerossol (5) . O aerossol é, então, aquecido usando serpentinas de aquecimento (4) de modo que o líquido é evaporado, deixando partículas secas em uma pulverização de pó (3) . A pulverização de pó a partir da unidade de aerossol está diretamente conectada à entrada da pistola de ESC (1) para deposição eletrostática. A taxa de fluxo da mistura pode ser ajustada pela modificação da pressão e/ou das características de fluxo do bico. A velocidade de evaporação pode ser acelerada ou retardada pelo ajuste do pó à serpentina de aquecimento.

Combinações dos métodos descritos acima também podem ser usadas. Por exemplo, um método combinado de desaglomeração consiste de primeiramente dispersar as partículas em um líquido para separar aglomerados fortemente ligados (veja discussão acima sobre propriedades desejáveis do líquido), então remover o líquido para secar as partículas (em cujo ponto elas podem re-aglomerar, mas em agrupamentos ligados fracamente), e então usar um moinho de jato como uma etapa final para quebrar quaisquer aglomerados ligados fracamente que se formaram durante ou após a secagem. Nós usamos este método com sucesso para tratamento de pré-deposição de pó de nitreto de boro cúbico antes da deposição de pulverização eletrostática (veja discussão de pré- tratamento e deposição integrados, abaixo). O método que nós usamos envolve especificamente as etapas a seguir:

1. Dispersão de pó de cBN recebido do fabricante em uma mistura de etanol e um surfactante neutro ou bipolar, por

exemplo Zonyl (produzido pela DuPont) - nós usamos uma proporção em massa de surfactante para pó de aproximadamente 0,5-1,5%.

2. Agitação manual da suspensão liquida, e então usar vibração ou ultrassonicação para garantir adicionalmente uma dispersão uniforme.

3. Secagem da mistura em um recipiente em uma

placa quente. Para agilizar a secagem e também impedir a formação de umidade, aplicar um jato de gás (nós usamos nitrogênio a 50-70° C com umidade/ponto de orvalho controlados) através de vários bicos localizados ao redor da periferia do recipiente aberto.

Agitação manual da mistura durante a secagem para reduzir a formação de bolo. Observar que, para níveis de produção maiores, esta operação poderá ser automatizada.

4. Quebra manual do material aglomerado resultante usando um pilão, de modo que o resultado seja um pó

solto, seco, que possa ser despejado.

5. Despejo do pó no funil do moinho de jato, pesagem das porções que são adicionadas, de modo que a quantidade de material depositado possa ser controlada. Para produção em grande escala, isto pode ser automatizado com uma unidade de

medição de pó (PMU).

Para aqueles métodos que usam dispersão liquida,

a dispersão liquida pode ser acoplada com sonicação para ajudar a atingir e manter a dispersão desejada das partículas no líquido.

ETJNCIONALIZ AÇÃO

A funcionalização de partículas antes da deposição pode permitir que sejam criados revestimentos para funções específicas, ou por outro lado pode melhorar as características do revestimento resultante. A funcionalização é tipicamente executada pela introdução de uma segunda fase ou fase mista de materiais. Por exemplo, partículas de nitreto de boro cúbico (cBN) podem ser sobre-revestidas com nitreto de titânio (TiN), nitreto de titânio alumínio (TiAlN), ou óxido de alumínio (Al2O3) para melhorar a fluidez das partículas de cBN e para aumentar a resistência do revestimento à oxidação (para o caso de sobre-revestimento de TiAlN). A funcionalização pode também introduzir um material adicional (tal como sílica com partícula de tamanho ultrafino) que é estável e provê espaçamento efetivo entre as partículas do material hospedeiro, reduzindo a possibilidade de aglomeração. Isto ajudará ainda a melhorar a qualidade superficial do revestimento de pó, tal como a aspereza da superfície.

Um método de funcionalização de partículas, incluindo nanopartículas, micropartículas, e combinações das mesmas, é sobre-revestir as partículas com outros materiais escolhidos para funcionalidade específica. Um segundo método de funcionalização de partículas é dispersar as mesmas em um líquido contendo um surfactantes, onde o veículo líquido e o surfactante são escolhidos para prover uma dispersão estável. A dispersão liquida pode ser alimentada ao sistema de deposição 200 como uma dispersão liquida (por exemplo, para ESC liquida) ou seca previamente para alimentação do material ao sistema de deposição (por exemplo, ESC seca). Dispersão liquida pode ser acoplada com sonicação para ajudar a atingir e manter a dispersão desejada de

partículas no líquido.

MÉTODOS ADICIONAIS DE TRATAMENTO DE PRÉ-DEPOSIÇÃO

Outros métodos de tratamento de pré-deposição podem também ser usados para pré-processamento dos materiais de revestimento antes da deposição, tanto sozinhos quanto em combinação com os métodos descritos acima. Por exemplo, o pó pode ser pré-aquecido para ajudar a tirar umidade do material de pó. Moagem de esfera pode ser usada para quebrar aglomerados e ajustar o tamanho das partículas de pó providas ao sistema de deposição

MÉTODOS E APARELHO PARA DEPOSIÇÃO DE REVESTIMENTO A Figura 6 ilustra uma câmara de deposição que pode ser usada para revestimento de pulverização eletrostática (ESC) assim como para outros métodos de revestimento ou deposição. Um conjunto de bico de pulverização (1) é montado de modo que ele pulveriza material de revestimento (pó seco ou suspensão líquida contendo partículas) na câmara de revestimento (2) . O conjunto de bico de pulverização pode empregar meios de deposição eletrostático, ultrassônico, ou ultrassônico mais eletrostático. 0(s) substrato(s) ou parte (s) a serem revestidas são colocados em um tablado (4) que é suspenso na câmara usando um conjunto de suspensão de tablado (3). A orientação do tablado pode ser fixa, ou, como uma opção, um tablado giratório pode ser usado conforme descrito adicionalmente aqui. A distância entre o estágio e o bico de pulverização pode ser ajustada.

A câmara é vedada de modo a impedir a saida do material de revestimento ou a entrada de contaminantes. Material que não é depositado no substrato (s) é coletado em um coletor de reciclagem de pós (5), de modo que o material pode ser reciclado. Na configuração preferida, o material não usado sai da câmara vedada por meio de um banho liquido ou outros meios de filtragem, de modo que o material é capturado para reuso e é impedido de ser

liberado no meio ambiente.

Em uma configuração preferida, os ajustes providos no conjunto de suspensão do tablado (3) estão localizados externamente à câmara pela extensão do conjunto através da parte superior da câmara através de aberturas que são vedadas usando vedações tipo "O-rings" ou outros meios de vedação. Com este projeto, ajustes na distância entre o tablado e o bico podem ser feitos sem abertura da câmara.

A Figura 7 ilustra o tablado giratório que é usado como uma opção para melhorar a uniformidade da deposição através da superfície do substrato. O tablado giratório pode ser usado com pulverização eletrostática e com outros métodos de deposição. Um motor elétrico (1) aciona o aparelho através de uma engrenagem de redução (2), fazendo que o eixo central (6) gire. Uma placa planetária (7) é anexada ao eixo central (6) e gira com o eixo. Uma série de engrenagens planetárias (5) são montadas na placa planetária (7) usando eixos planetários (8) . As engrenagens planetárias engatam com uma engrenagem de anel interna (4) que é montada para ser uma base de montagem fixa (3) . Em uma configuração mostrada na figura, seis engrenagens planetárias são usadas.

Conforme a placa planetária gira, as engrenagens planetárias se movem ao redor do eixo central do conjunto e, devido a sua interação com a engrenagem de anel interna, as engrenagens planetárias também giram e seus próprios eixos. Substratos são montados nos tablados de engrenagem planetária. A ação dupla de rotação aumenta a uniformidade de deposição no substrato, garantindo que todos os pontos na superfície do substrato sejam expostos igualmente à pulverização de material.

As engrenagens planetárias e de anel podem se entrelaçar usando dentes de engrenagem convencionais, ou as engrenagens planetárias podem ser feitas como cilindros que são pressionados para fora (por exemplo, por molas) de modo que a borda externa de cada cilindro contate a superfície da engrenagem de anel interna e a fricção faça que as engrenagens planetárias girem.

Para qualquer tipo de deposição eletrostática, as engrenagens planetárias devem ser aterradas de modo a aterrar o substrato que é montado nas mesmas. Isto requer que seja provido um meio para conectar eletricamente as engrenagens planetárias a um membro de aterramento. Em uma configuração em que as engrenagens planetárias são cilindros, as molas que pressionam contra os eixos da engrenagem planetária e retêm as engrenagens planetárias contra a engrenagem de anel interna também agem como escovas para fazer uma conexão elétrica entre as engrenagens planetárias e o restante do conjunto de tablado giratório aterrado. A velocidade do motor elétrico pode ser ajustada para garantir que o substrato a ser revestido seja exposto a todas as partes do padrão de pulverização de deposição igualmente, de modo a atingir a uniformidade desejada de revestimento. A velocidade pode ser ajustada pela mudança da entrada de energia (voltagem) no motor DC. Na configuração especifica mostrada na figura, a proporção da velocidade rotacional das engrenagens planetárias em relação àquela da placa planetária geral é fixada pela proporção da engrenagem. Entretanto, em configurações alternativas um ou mais motores adicionais ou outros meios podem ser providos, de modo que duas velocidades podem ser ajustadas independentemente.

O tablado giratório também pode ser traduzido pela montagem do mesmo em uma plataforma apropriada que é movida lateralmente tanto na direção χ quanto na direção y, e o tablado também pode ser transladado na direção do eixo ζ (direção vertical na figura), movendo o tablado giratório para mais próximo ou distante da fonte de pulverização.

MÉTODOS E APARELHO DE PRÉ-TRATAMENTO E DEPOSIÇÃO

INTEGRADOS

A Figura 8 ilustra um sistema de revestimento de pulverização eletrostática (ESC) integrado com um fluidizador para tratamento de prè-deposição do pó. Ar comprimido, nitrogênio ou outro gás adequado é alimentado a um conjunto de válvulas de controle de pressão. Estas válvulas controlam o ar para o fluidizador e o ar alimentado para a pistola ESC. Pela combinação de fluidização com deposição de ESC, aglomeração das partículas de pó seco é reduzida e partículas ultrafinas são preferivelmente alimentadas à pistola ESC. Este sistema tem sido usado para prover deposição uniforme de pós, tais como hidroxiapatita nos substratos, incluindo implantes de titânio para aplicações biomédicas. O sistema é adequado para uso com muitos outros

materiais e aplicações.

A Figura 9 ilustra um sistema de revestimento de pulverização eletrostática (ESC) com moinho de jato integrado para a desaglomeração do material de pó que entra no sistema. Ar comprimido, nitrogênio ou outro gás adequado é provido a um conjunto de válvulas de controle de pressão. Estas válvulas controlam o ar alimentado para a pistola ESC, e ambos, o ar de alimentação e o ar de moagem para o moinho de jato. Pó seco é alimentado à entrada de pó do moinho de jato. A ação de moagem do moinho de jato desmancha aglomerados, e as partículas de pó fino são carregadas pelo ar de alimentação para fora do moinho de jato diretamente para a pistola ESC. Moinhos de jato comercialmente disponíveis tipicamente incorporam um coletor de pó de ciclone com um saco de coleta para capturar o pó processado no moinho. Nesta invenção o ciclone e o saco são removidos e um acoplamento customizado é usado para conectar a saída do moinho de jato diretamente à conexão da mangueira de entrada da pistola ESC. As válvulas de controle de pressão são usadas para ajustar a pressão de ar geral aplicada, e as pressões relativas aplicadas na moagem e "impulsão" (ar de alimentação) através do moinho de jato. Isto permite ajuste do equilíbrio entre a as forças de impulsão e de moagem no moinho de jato, e o ajuste do equilíbrio entre forças aerodinâmicas e forças eletrostáticas durante deposição de partícula na câmara de ESC. Pistolas ESC tipicamente usam uma pressão de ar muito menor que aquela usada em um moinho de jato. Forças eletrostáticas dominam a deposição de partícula. Pelo acoplamento do moinho de jato diretamente à pistola ESC, as forças aerodinâmicas possuem um papel muito maior. Nós descobrimos que as forças aerodinâmicas aumentadas provêem uma deposição de revestimento muito mais uniforme. Isto é provavelmente devido, em parte, ao fato de que as linhas do campo eletrostático não são uniformes no substrato, devido a não uniformidades nas características superficiais do substrato. As forças aerodinâmicas tendem a superar estas não uniformidades pela redução da influência de forças eletrostáticas na deposição. Este resultado, a melhoria significativa da uniformidade de deposição devido às forças aerodinâmicas aumentadas em relação às forças eletrostáticas, foi inesperado. A integração do moinho de jato com o sistema ESC provê a desaglomeração das partículas de pó que entram no sistema, o que, por si só, aumenta a uniformidade do revestimento e melhora, ainda, a uniformidade da deposição de partícula através da influência aumentada das forças aerodinâmicas.

Outras características opcionais que podem ser

incluídas no sistema descrito aqui são:

• Pré-aquecimento do gás transportador, quando desejado, para aplicações específicas;

• Alimentação automática do material de pó ao sistema, e medição automática da quantidade de pó (por exemplo,

usando uma unidade de medição de pó) e outras variáveis importantes tais como temperatura, pressão, etc.; também automação da rotação/translação do substrato; • O uso de uma peneira como um meio adicional de peneiramento e separação de tamanhos de partículas, de modo que os tamanhos desejados de partículas possam ser preferivelmente alimentados ao sistema;

· Vibração e projeto da superfície inclinado

para ajudar a impedir acúmulo de pó nas superfícies de alimentação;

• Translação adicional (nas direções x, y e/ou z) do substrato ou pistola ESC, ou de ambos, para permitir

deposição em superfícies grandes; e

• 0 uso de múltiplas pistolas para permitir revestimento de grandes superfícies ou de geometrias complexas.

Pistolas ESC comercialmente disponíveis podem ser usadas nos sistemas de revestimento eletrostático descritos aqui. Entretanto, as pistolas "de prateleira" comumente usadas para pintura e revestimento de pó possuem algumas desvantagens quando aplicadas para deposição de partículas de tamanho micro ou nano. Especificamente, as pistolas não provêem fluxo uniforme dentro das passagens internas para a pistola, resultando em certa desigualdade espacial do fluxo que sai da pistola. Também, existem áreas dentro da pistola onde o pó tende a acumular, o que afeta a capacidade para controlar a espessura da deposição pelo controle da massa de pó enviada à pistola.

A Figura 10 ilustra um projeto de pistola modificada que resolve estes problemas. Como nas pistolas disponíveis comercialmente, ar ou outro gás sob pressão é provido para a pistola, juntamente com uma alimentação de pó. Um eletrodo (2) localizado no bico de saída carrega as partículas conforme elas saem da pistola, produzindo uma pulverização de pó com carga (1). Entretanto, neste caso, múltiplas entradas de alimentação de pó (4) são providas e elas são anguladas na direção do fluxo, de modo que o pó se una mais facilmente ao caminho de fluxo de ar.

Adicionalmente, ao prover múltiplas entradas (três são providas no exemplo mostrado na figura); o pó é distribuído de forma mais uniforme ao redor da circunferência do caminho de fluxo.

Também, duas entradas de ar separadas são providas. Uma é a entrada de ar auxiliar (5), que provê o ar de alimentação principal para criar a pulverização eletrostática. Adicionalmente, ar é provido para uma ou mais entradas de ar do vórtice (3). No exemplo mostrado na figura, duas entradas de ar de vórtice são providas. Estas entradas são orientadas de modo que o ar entra tangencialmente, criando um vórtice dentro da pistola ESC * 15 que ajuda a impedir o acúmulo de pó nas superfícies do corpo do bico (6) e também ajuda a manter a uniformidade do fluxo de mistura de gás e pó. 0 corpo do bico é projetado para ter superfícies lisas sem rugas ou cavidades, nas quais o pó possa acumular.

Claims

1. Um método para revestimento de um substrato com um material de deposição, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: (a) aplicação de um tratamento de pré- deposição ao material de deposição onde a referida aplicação de uma etapa de tratamento de pré-deposição compreende a etapa de desaglomeração do material de deposição; (b) direcionamento do material de deposição no substrato por meio de carga eletrostática; e (c) aplicação de um tratamento in situ ou de pós-deposição ao substrato, onde o material de deposição é ligado ao substrato.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido direcionamento do material de deposição na etapa do substrato compreende ainda a etapa de manipulação do substrato, e onde a referida manipulação da etapa do substrato compreende a etapa de girar o substrato sobre um tablado.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de deposição compreende pelo menos um dentre o conjunto compreendendo carbonetos, nitretos, carbonitretos, boretos, óxidos, sulfetos, e silicietos.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o material de deposição compreende nitreto de boro.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de aplicação de um tratamento in situ compreende pelo menos um dentre luz UV, sinterização de laser de estágio elétrico e sinterização de infravermelho.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de aplicação de tratamento pós-deposição compreende infiltração de vapor químico.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de infiltração de vapor químico compreende a etapa de aplicação de nitreto de titânio ao substrato.

8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de aplicação de um tratamento de pós-deposição compreende sinterização.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de sinterização compreende pelo menos um dentre sinterização de microondas, sinterização a laser, e sinterização de infravermelho.

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido direcionamento do material de deposição na etapa do substrato compreende a etapa de direcionamento do material de deposição em uma pistola eletrostática através de uma pluralidade de entradas de alimentação de pó.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de entradas de alimentação de pó são anguladas na direção do fluxo de ar a partir da pistola eletrostática.

12. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o referido direcionamento do material de deposição no substrato compreende ainda a etapa de direcionamento de ar para a pistola eletrostática através de uma pluralidade de entradas de ar.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de entradas de ar compreende uma entrada de ar de reforço, e o referido direcionamento do material de deposição no substrato compreende ainda a etapa de direcionamento de ar de alimentação principal para a pistola eletrostática através da entrada de ar de reforço.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de entradas de ar compreende ainda uma entrada de ar de vórtice, e o referido direcionamento do material de deposição no substrato compreende ainda a etapa de direcionamento de ar para a pistola eletrostática tangencialmente através da entrada de ar de vórtice, onde um vórtice é criado dentro da pistola.

15. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de tratamento de pré-deposição compreende a etapa de fluidizar o material de deposição.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de tratamento de pré-deposição compreende a etapa de fluidização do material de deposição aerodinamicamente.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de fluidização compreende ainda a etapa de vibração do material de deposição

18. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de fluidização compreende a etapa de peneiramento do material de deposição.

19. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de desaglomeração é executada por meio de um moinho a jato.

20. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de desaglomeração é executada por meio de dispersão do material de deposição em um liquido de dispersão.

21. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de desaglomeração compreende ainda a etapa de aplicação de sonicação ao liquido de dispersão.

22. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de desaglomeração compreende ainda a etapa de tornar o liquido de dispersão um aerossol.

23. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de aplicação de vibração ultrasônica ao liquido de dispersão.

24. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de pré-deposição compreende a etapa de funcionalização do material de deposição.

25. Método, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de funcionalização compreende a etapa de sobrerevestimentos do substrato.

26. Método, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que a referida etapa de funcionalização compreende a etapa de dispersão do material de deposição em uma mistura compreendendo um liquido e um surfactante.

27. Método, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de aplicação de sonicação à mistura.

28. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de deposição compreende partículas microdimensionadas.

29. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de deposição compreende nanoparticuias.

30. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de direcionamento de um material de agente ao substrato subseqüentemente à referida etapa de aplicação de um tratamento de pós-deposição ao substrato.

31. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que o material de agente compreende um agente biológico ativo.

32. Método, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que o agente biológico ativo compreende um dentre um agente biocida e antibacteriano.

33. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que o material de agente compreende uma proteína óssea morfogênica.

34. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que o material de agente compreende um agente que carrega uma droga.