4.2 PROCESSOS DE MANUFATURA
4.2.2 Impressão 3D de componentes
Como citado anteriormente, a impressão 3D fez um papel importante no desenvolvimento do molde. Para a fabricação de moldes, é necessário que o produto proveniente tenha certa resistência ao escoamento e compressão, pois na fabricação do molde, uma peça que se deforma na sua fabricação implicará em um produto defeituoso.
Para determinar o material para a fabricação da impressão 3D da carcaça, é essencial verificar as máquinas disponíveis, pois elas limitam o tipo de polímero a ser injetado e as dimensões da peça a ser prototipada. Por conseguinte, o conhecimento sobre a propriedade
desses polímeros é necessário, a fim de proporcionar que o produto da protipagem tenha a resistência estrutural necessária para a fabricação do molde.
Normalmente o fabricante dos moldes de injeção recomenda um tipo de material para a impressão 3D ou realiza a própria impressão, porém para este projeto realizou-se a busca de fornecedor externo onde foi realizada a avaliação das máquinas e materiais disponíveis, determinando assim o Acrilonitrila butadieno estireno - ABS como material de impressão, pois se teratava do material disponível que apresentava menores índices de deformações, segundo o fornecedor, após o processo de impressão. Está ilustrado na figura 18 uma das peça de prototipagem utilizadas para a confecção do molde.
Figura 18 - Prototipagem da carcaça da caixa de redução
Fonte: Autor (2019).
4.2.3 Usinagem
Para os processos de usinagem utilizados no projeto da caixa de redução estão o torneamento, o fresamento, a furação e a retífica. Conforme o projeto detalhado e as folhas de processos apresentadas, foi comprada e entregue a matéria-prima selecionada aos fornecedores.
A começar pelo eixo de transmissão da caixa de redução com geometria de grande complexidade, possui além de superfícies de revolução, que são facilmente fabricadas pelo processo de torneamento, outros elementos, presentes no eixo, exigem que este passe pelo processo de fabricação como o fresamento dos rasgos de chavetas. O eixo possuí também furos roscados e assentos para rolamento, além de ajuste de interferência. Assim, operações como furação e rosqueamento, foram processos indispensáveis para sua fabricação.
As engrenagens também possuem um processo lento de usinagem, onde ocorrem processos de torneamento da engrenagem, com posterior fresamento e retífica dos dentes, realizados com ferramentas e máquinas apropriadas para a sua manufatura. Outros componentes como os flanges e a bucha necessária para travamento axial da engrenagem irão utilizar usinagem, mas são componentes de complexidade baixa de acordo com as geometrias apresentadas nos desenhos técnicos presentes nos anexos.
A carcaça ilustradas na figura 19 por sua vez, necessita de fresamento nos encaixes, furação e rosqueamento. Apesar de ser uma peça com poucas operações, ainda se torna uma peça complexa para a fabricação devido a dificuldade de fixação da mesma nas máquinas de usinagem.
Figura 19 - Carcaças antes da usinagem
Fonte: Autor (2019).
Conforme as peças foram fabricadas pelo processos de usinagem listados e que podem ser vistos nas figura 20 e 21, foram enviadas posteriormente para o processo de tratamento térmico.
Figura 20 - Componentes usinados da caixa de redução
Fonte: Autor (2019).
Figura 21 - Carcaça de redução usinada
4.2.4 Tratamento Térmico
O tratamento térmico foi a última etapa do processo de manufatura antes da montagem da caixa de redução e instalação no veículo elétrico. As peças da carcaça e engrenagens necessitam do processo de tratamento térmico. Para o tratamento térmico da carcaça em alumínio, utilizado para o veículo elétrico de 2018, foi realizado o tratamento térmico de solubilização e envelhecimento em empresa externa devido a problemas no forno da própria fundição Alutec, dessa maneira os procedimento foram realizados com a parceria da empresa Tupytec.
O gráfico da figura 22 mostra o processo de tratamento térmico para a carcaça da caixa de redução, avaliando a temperatura do processo pelo tempo.
Figura 22 - Gráfico de tratamento térmico aplicado as carcaças de alumínio
Fonte: Autor (2019).
Para o ano de 2019, um novo modelo foi otimizado pensando na utilização do ADI onde a empresa Schulz se responsabilizou pelo controle dos processo de tratamento térmico, que consiste em fundição de ADI seguido de tratamento térmico de austêmpera. O preço médio deste tratamento fica próximo de R$6,00 por quilograma. Porém alguns fatores encaminharam o projeto para a escolha do ferro fundido nodular, fundidos e tratados na Tupytec, empresa patrocinadora do projeto. 27 520 520 40 160 160 27 0 100 200 300 400 500 600 0 2 362 363 364 664 700 TE MPE R A TURA E M G R A US CE LS IUS ( ºC) TEMPO EM MINUTOS Solubilização Envelhecimento
Na figura 23 é ilustrado o produto prototipado e fundido de uma das partes da carcaça em ferro fundido nodular:
Figura 23 - Carcaça da caixa de redução de 2019 em ferro fundido nodular
Fonte: Autor (2019).
O processos de tratamento térmico utilizado para as engrenagens no material AISI 8620 e também utilizado em AISI 4140, consiste no processo de cementação seguidos de têmpera e revenimento. Este tipo de tratamento térmico é bastante utilizado para engrenagens de modo a aumentar a dureza e a resistência ao desgaste superficial dos dentes, evitando que o forte impacto e atrito de engrenamento acabe por danificar precocemente o par engrenado. Na figura 24, é ilustrado o processo de tratamento térmico aplicado nas engrenagens conforme o tempo de processo e temperatura.
Figura 24 - Tratamento térmico aplicado nas engrenagens
Fonte: Autor (2019).
Para o eixo e flanges não foi necessário a utilização de tratamento térmico visto que foi possível encontrar a matéria-prima normalizada.
4.2.5 Lubrificantes
A escolha do lubrificante foi feita pelo estudo de disponibilidade e aplicação. Conforme os cálculos de velocidades máximas que atingem o par engrenado, a aplicação da graxa como lubrificante não é possível, sendo necessário a utilização de óleo.
A equipe Fórmula auxiliou na escolha do lubrificante, visto que a equipe possui patrocinadores que poderiam fornecer certos tipos de lubrificantes, para isso verificou-se os que atendiam o projeto tanto para a caixa de redução e para projetos semelhantes da equipe, visando a economia de recursos. Dessa maneira o lubrificante escolhido foi o SAE 80W90.
4.2.6 Montagem
No procedimento de montagem, foram relatados alguns problemas na escolha do alumínio como material da carcaça. Primeiramente na montagem dos rolamentos na carcaça, era realizado por ajuste com interferência, procedimento realizado com prensa hidráulica e
27 1050 1050 150 850 850 70 180 180 27 0 200 400 600 800 1000 1200 0 10 250 370 370,5 400,5 401 411 451 500 TE MPE R A TURA E M G R A US CE LS IUS ( ºC) TEMPO EM MINUTOS Cementação Têmpera Revenimento
necessitando cuidados especiais. Conforme ocorreu na montagem, o material escoou fraturando a parede do assento de rolamento, sendo necessário a utilização de uma peça reserva.
Após esse defeito ocorrido, a carcaça com problema foi substituída e a caixa de redução foi montada, conforme mostram as figuras 25 e 26. Durante os testes, foram montadas e desmontado o sistema algumas vezes, apresentando algumas falhas de vedação na caixa de redução. Dentre os possíveis causas dos vazamentos, estão problemas de estanqueidade proporcionado pela má aplicação da cola de vedação, vazamento pelos parafusos e problemas de geometria. Dentre os problemas apresentados, o vazamento pelos parafusos foi o mais preocupante, principalmente pela constatação de espanamento de algumas das roscas da carcaça em alumínio fundido, pois a região das roscas apresentaram fragilidade ao desgaste com a retirada excessiva dos parafusos nos processos de montagem e desmontagem. Estes problemas foram relatados a equipe Fórmula CEM para que houvesse melhorias do projeto para o ano de 2019.
Figura 25 - Montagem do lado esquerdo carcaça no motor com engrenagem motora
Figura 26 - Montagem do lado direito da carcaça com eixo e engrenagem movida
Fonte: Autor (2019).
De acordo com os resultados apresentados no decorrer do trabalho e com o acompanhamento do projeto desde o dimensionamento, a escolha dos materiais e processos de manufatura até as etapas de montagem e testes, foi constatado que os materiais escolhidos atendem os requisitos de projeto da caixa de redução do veículo FE2 – FEPESE 2018 da equipe Fórmula CEM, com exceção da carcaça feita em alumínio fundido 306-T6.
De acordo com a escolha realizada, constatou-se que o ADI ainda é a melhor alternativa para a carcaça, problemas com disponibilidade, custo e peso, acabaram por influenciar negativamente nos resultados da matriz de decisão para o componente.
Por outro lado, alguns problemas de geometria acabaram por interferir nos resultados de satisfação do produto final, assim como os problemas do vazamento do óleo pelos parafusos. Desta forma fica evidente que o alumínio não foi a melhor escolha, porém algumas adaptações de projeto ainda viabilizam o alumínio fundido utilizado, como a colocação de buchas de outro material nas regiões que precisam de roscas e ampliar a espessura em algumas regiões, principalmente onde há a presença dos mancais de rolamento.
Outro fator a levar em consideração está no controle do processo de tratamento térmico, realizando preferencialmente logo após a fundição, realizando corpos de prova com diferentes tratamentos para melhorar a assertividade do mesmo.
Os eixos e flanges feitos de SAE 4340 apresentaram um resultado satisfatório conforme o dimensionamento realizado, não houve empenamento do eixo ou qualquer aparição
de defeitos superficiais. Houve somente problemas de execução no eixo de transmissão, onde ocorreu problemas de usinagem, com superfícies marcadas por quebra de ferramenta e descuido do processo de fabricação, que poderão futuramente tornar concentradores críticos de tensão, sendo sugestivo a confecção de um novo eixo. Quanto ao material do mesmo, pode-se notar que não houve problemas e a escolha foi assertiva, pois mesmo com os problemas relatados acima, não houve alteração no desempenho e funcionalidade do mesmo.
Para o sistema de lubrificação, as escolhas referentes ao óleo estão de acordo. O estudo aprimorado com testes de diferentes lubrificantes incluindo o escolhido, traria um melhor resultado de quanto a assertividade desta escolha.
Analisando a metodologia de seleção de materiais, constatou-se que o processo das listas e tabelas de Ashby contribuem bastante para uma análise prévia de materiais possíveis, sendo essencial que um método como a matriz de decisão auxilie na obtenção da melhor escolha. Quanto a matriz de decisão, analisou-se que é uma ferramenta importante para o conhecimento dos materiais e análises dos componentes. Para a confecção das matrizes conclui- se que um processo de notas empregadas aos materiais envolvendo um grupo de pessoas possam melhorar a assertividade dos resultados.
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho buscou desenvolver o procedimento de seleção dos materiais e manufatura dos componentes da caixa de redução do veículo elétrico da equipe Fórmula CEM, iniciando com o estudo dos materiais e finalizando com a fabricação dos componentes e montagem. O processo inicial de análise das propriedades dos materiais permitiu conhecer e explorar novos materiais que diferem dos aplicados usualmente, além disso, permite expandir a gama de materiais para projetos futuros.
O processo de identificação do material adequado é um processo que pode ser facilmente interpretado com a ajuda das matrizes de decisão, porém as notas atribuídas demandam tempo e análise crítica de cada requisito de projeto.
Os procedimentos para as escolhas dos processos de manufatura demandam conhecimentos dos processos de fabricação, das máquinas e ferramentas. Entender os processos primários e secundários é essencial para que a fabricação esteja em sintonia com o desenvolvimento do produto, os recursos disponíveis e os fornecedores, para que o fluxo dos processos de manufatura atenda os prazos estipulados. O processo de indicação para a caixa de redução restringiu-se principalmente aos fornecedores disponíveis e ao custo, visto que a equipe Fórmula CEM depende de iniciativas externas, com isso para todos os processos a indicação se deu para o melhor dentro das limitações da equipe.
Conhecendo as limitações da equipe quanto a todos os recursos voltados a manufatura, o processo de verificar as alternativas de fabricação para cada componente foi facilitado de modo que foi possível adiantar os prazos de manufatura, atribuindo maior tempo a montagem e testes.
O presente trabalho apresentou os procedimentos de seleção de materiais e manufatura para uma caixa de redução de veículo Fórmula SAE, podendo ser aplicada a outros projetos de componentes. Ele desenvolve os passos para encontrar o melhor material para cada aplicação através do método da tabela de dados ordenados de Ashby com auxílio da matriz de decisão para indicar as alternativas possíveis e determina os passos para a escolha dos processos de manufatura.
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Após a realização deste trabalho nota-se que mais estudos podem ser realizados para melhorar o desenvolvimento dos processos de seleção de material e manufatura, sendo os principais:
Seleção de maior gama de materiais para definir as escolhidas para a matriz de decisão; Maior número de pessoas atribuindo as notas para cada material;
Realizar ensaios e testes dos diferentes materiais da matriz de decisão; Utilizar o ADI como material para a carcaça;
Alterações de geometria na carcaça e outros componentes; Testes de lubrificantes aplicados a caixas de redução.
REFERÊNCIAS
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CALLISTER JUNIOR, W. D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012.
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4×4. Disponível em: <http://edpickups.com.br/novo/produto/eixo-de-saida-dianteiro-caixa-de-
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ORION. Retentores. Disponível em: <http://www.orionsa.com.br/produtos/?id=26>. Acesso em: 02 jul. 2018.
ROZENFELD, H.; FORCELLINI, F.A.; AMARAL, D.C.; TOLEDO, J.C.; SILVA, S.L.; ALLIPRANDINI, D.H.; SCALICE, R.K. Gestão de Desenvolvimento de Produtos: uma referência para a melhoria do processo. São Paulo: Saraiva, 2006.
SENAI-SP. Mecânica-veículos leves: sistema de transmissão. São Paulo: 2012
SOCIETY SAE INTERNATIONAL. 2017-18 Formula SAE® Rules Table of Contents. 2016. Disponível em: <https://www.fsaeonline.com/content/2017- 18%20FSAE%20Rules%209.2.16a.pdf>. Acesso em: 29 abr. 2018
TECNOFIX. Sobre anéis elásticos. Disponível em: <http://aneiselasticos.com.br/>. Acesso em: 02 jul. 2018.
APÊNDICE A – PROCEDIMENTO DE LISTAS DE MATERIAIS POSSÍVEIS
I. MATERIAIS PARA A CARCAÇA
Índices de avaliação de performance a serem cumpridos:
Requisitos em Potencial Índices de Avaliação de Performance Razão Resistência/Volume Limite de Escoamento ou de Resistência
Razão Resistência/Peso Limite de Escoamento ou de Resistência/Densidade
Resistência ao Calor Perda de Resistência/Grau de Temperatura
Expansão Térmica Deformação/Grau de Variação de Temperatura
Rigidez Módulo de Elasticidade
Ductibilidade Alongamento Percentual em milímetros
Tenacidade Energia/Unidade de Volume na Ruptura
Resistência ao Desgaste Perda Dimensional na Condição de Operação; Dureza
Manufaturabilidade Adequação para Processo Específico
Custo Custo/Unidade de Peso; Usinabilidade
Disponibilidade Tempo e Esforço para Obtenção
Lista de materiais possíveis por índice para a carcaça:
1. Propriedades de resistência/volume: Aço de ultra-alta resistência, aço inoxidável (endurecido por precipitação), aços de alto e médio carbono, compósito grafite-epóxi, titânio, cerâmica, liga de níquel, latão amarelo, bronze comercial, ferro fundido cinzento (classe 50 e classe 40), ADI - Austempered Ductile Iron, alumínio trabalhado tratado termicamente, alumínio fundido tratado por solubilização e envelhecimento.
2. Propriedades de resistência/peso: Compósito grafite-epóxi, alumínio fundido tratado por solubilização e envelhecimento, alumínio trabalhado tratado termicamente, ferro fundido cinzento, ADI, titânio, carboneto de titânio.
3. Propriedades de resistência ao calor: Aços de ultra-alta resistência, aço inoxidável titânio, alumínio fundido tratado por solubilização e envelhecimento, ferro fundido cinzento (classe 40 e classe 50), ADI.
4. Propriedades de expansão térmica: Aços na maioria, titânio, cerâmica, liga de níquel, ferro fundido cinzento (classe 50 e classe 40), ADI, alumínio fundido tratado por solubilização e envelhecimento.
5. Propriedades de rigidez: Aços na maioria, aço inoxidável, carboneto de magnésio, molibdênio, ferro fundido cinzento de classe 50, ADI, alumínio fundido tratado por solubilização e envelhecimento, bronze comercial, titânio.
6. Propriedades de ductibilidade: Ferro fundido cinzento, ADI, bronze comercial, alumínio fundido tratado por solubilização e envelhecimento, magnésio forjado, titânio, superligas de cobalto, aço de ultra-alta resistência, aço médio carbono.
7. Propriedades de tenacidade: Liga de níquel, aço inoxidável, aços de ultra-alta resistência, ferros fundidos cinzentos, ADI, alumínio fundido tratado por solubilização e envelhecimento.
8. Propriedades de resistência ao desgaste: Alumínio e suas ligas, alumínio fundido tratado por solubilização e envelhecimento, ouro, prata, cobre e suas ligas (latão, bronze), aço alto carbono, ligas de aço cromo e níquel, ferro fundido cinzento e nodular, ADI. 9. Propriedades de manufaturabilidade:
a. Fundibilidade: ADI, ferro fundido cinzento, alumínio e suas ligas, alumínio fundido tratado por solubilização e envelhecimento
b. Usinabilidade: ADI, ferro fundido de baixo teor de silício e manganês, aços de baixo carbono, aços com altos teores de sulfeto de manganês, ligas de alumínio, alumínio fundido,
c. Outros processos: Laminação de compósitos e fibras
10. Propriedades de custo: O custo está relacionado aos fornecedores, processo e tempo de fabricação, analisando alguns materiais próximos da região de Joinville e feito alguns orçamentos de materiais, definimos possíveis materiais: ADI e ferro fundido cinzento (fornecedor/patrocinador), alumínio fundido tratado por solubilização e envelhecimento (fornecedor/patrocinador), aço baixo e médio carbono, alguns compósitos.
11. Propriedades de disponibilidade: ADI, aços ultra-alta resistência, aços de alto e médio carbono, ligas de alumínio.
Materiais selecionados para comparação na matriz de decisão:
ADI - Austempered Ductile Iron;
Alumínio fundido tratado por solubilização e envelhecimento (AlSi9Mg0,3);
Alumínio 6061-T6;
Alumínio 7075-T6;
Aço AISI 4340;
II. MATERIAIS PARA OS EIXOS
Índices de avaliação de performance a serem cumpridos:
Requisitos em Potencial Índices de Avaliação de Performance Razão Resistência/Volume Limite de Escoamento ou de Resistência
Resistência ao Calor Perda de Resistência/Grau de Temperatura
Expansão Térmica Deformação/Grau de Variação de Temperatura
Rigidez Módulo de Elasticidade
Ductibilidade Alongamento Percentual em milímetros
Resiliência Energia/Unidade de Volume no Escoamento
Tenacidade Energia/Unidade de Volume na Ruptura
Resistência ao Desgaste Perda Dimensional na Condição de Operação; Dureza
Resistência à Corrosão Perda Dimensional no Meio de Operação
Custo Custo/Unidade de Peso; Usinabilidade
Lista de materiais possíveis por índice para os eixos:
1. Propriedades de resistência/volume: Aço de ultra-alta resistência, aço inoxidável (endurecido por precipitação), aço alto carbono, aço médio carbono, titânio, liga de níquel, latão amarelo, bronze comercial, ferro fundido nodular e cinzento.
2. Propriedades de resistência ao calor: Aços de ultra-alta resistência, aço inoxidável titânio, ferro fundido nodular e cinzento.
3. Propriedades de expansão térmica: Aços na maioria, titânio, cerâmica, liga de níquel, ferro fundido nodular e cinzento.
4. Propriedades de rigidez: Aços na maioria, aço inoxidável, carboneto de magnésio, molibdênio, ferro fundido nodular e cinzento, bronze comercial, titânio.
5. Propriedades de ductibilidade: Ferro fundido nodular e cinzento, bronze comercial, magnésio forjado, titânio, superligas de cobalto, aço de ultra-alta resistência (AISI 4340), aço médio carbono.
6. Propriedades de resiliência: Aço de ultra-alta resistência (Liga 4340), aço inoxidável (AM350), titânio (Ti-6AI-4V), alumínio trabalhado (2024-T3), aço médio carbono (AISI 1060 com tratamento térmico), aço baixo carbono (AISI 1045, AISI 1020, com tratamento térmico).
7. Propriedades de tenacidade: Liga de níquel, aço inoxidável, aços de ultra-alta resistência, ferros fundidos nodulares e cinzentos.
8. Propriedades de resistência ao desgaste: Alumínio e suas ligas, cobre e suas ligas (latão, bronze), aço alto carbono, ferro fundido cinzento e nodular.
9. Propriedades de resistência a corrosão: Alumínio e suas ligas, ouro, prata, cobre e suas ligas (latão, bronze), ligas de aço cromo e níquel, ferro fundido cinzento e nodular, aços de ultra-alta resistência.
10. Propriedades de custo: O custo está relacionado aos fornecedores, processo e tempo de fabricação, analisando alguns materiais próximos da região de Joinville e feito alguns orçamentos de materiais, definimos possíveis materiais: ferro fundido cinzento e nodular (fornecedor/patrocinador), aço baixo e médio carbono, aços ultra-alta