ESTUDO E APERFEIÇOAMENTO DO PROCESSO DE FRESAMENTO EM ESPUMAS FLEXÍVEIS DE POLIURETANO D50

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ESTUDO E APERFEIÇOAMENTO DO PROCESSO DE FRESAMENTO EM ESPUMAS FLEXÍVEIS DE POLIURETANO D50

Mauricio Rockenbach, mauricio.rockebach@terra.com.br1 Fabio Pinto da Silva, fabio.silva@ufrgs.br2

André João de Souza, ajsouza@ufrgs.br1

1 Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), Departamento de Engenharia Mecânica (DEMEC), Rua Sarmento Leite, nº 425 – Cidade Baixa – CEP 90050-170 – Porto Alegre, RS.

2 Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), Programa de Pós-Graduação em Design (PG Design), Rua Osvaldo Aranha, nº 99 - Sala 607 – Bom Fim – CEP 90035-190 – Porto Alegre, RS.

Resumo: Usuários de cadeira de rodas são normalmente acometidos por dois males: a má adequação postural e o eventual surgimento de úlceras de pressão. Estudos recentes apontam que a utilização de assentos personalizados ajuda a tratar estes dois problemas. Entretanto, o material comumente utilizado na confecção de assentos é a espuma flexível de poliuretano D50, cujos métodos tradicionais de obtenção de produtos com formas moldadas são muito dedicados. Dada a sua versatilidade, a usinagem é uma alternativa. Todavia, os parâmetros de corte para a espuma D50 não são bem conhecidos. Face ao exposto, este trabalho apresenta o estudo dos efeitos de três parâmetros de corte (velocidade de avanço “vf”, profundidade de corte “ap” e penetração de trabalho “ae”) no fresamento frontal da espuma D50 objetivando a máxima taxa de remoção de material sem comprometer a precisão dimensional. Vinte e sete canais foram usinados em blocos desta espuma com combinações de três valores diferentes para cada um dos três parâmetros escolhidos. Para avaliar a precisão do corte, foi proposta a utilização da técnica de digitalização tridimensional a laser, e um projetor de perfis foi aplicado para a sua validação. Os resultados obtidos apontam que, mesmo a elevadas taxas de remoção de material, é possível obter dimensões relativamente precisas na usinagem de espumas, em especial na direção da profundidade (eixo Z). Considerando o proposto, ficou determinado que a melhor combinação de parâmetros de corte foi: vf = 2000 mm/min, ap = 12 mm e ae = 6 mm. Observou-se também que a digitalização 3D é adequada para a medição da profundidade do canal, com desvio máximo de 0,2 mm em relação ao valor nominal. No entanto, para a realização de medições de outras dimensões (baseadas nas paredes dos canais), este processo não se mostra tão preciso.

Palavras-chave: fresamento frontal; espumas flexíveis de poliuretano; assentos personalizados para cadeirantes;

digitalização tridimensional a laser.

1. INTRODUÇÃO

Existe hoje uma crescente preocupação em prestar assistência e proporcionar meios para as pessoas com deficiência poderem, de fato, serem incluídas na sociedade, o que tem sido feito através da tecnologia assistiva. Dentre as pessoas com deficiência, um caso muito comum são os usuários de cadeira de rodas que, geralmente, são acometidos por dois males: a má adequação postural e o eventual surgimento de úlceras de pressão.

Alguns autores (Carlson et al., 1995; Corbet, 1997; Watson e Woods, 2005) afirmam que a utilização de assentos personalizados, moldados com base no corpo do paciente, auxilia na redução ou mesmo eliminação das úlceras de pressão, pois melhoram a distribuição de pressão (Fig. 1): aumentar a espessura dos assentos aumenta a área de distribuição de pressão, mas não eliminam os picos nas áreas sensíveis; já o assento personalizado transmite essa pressão para pontos onde pode ser melhor suportada, como a parte posterior da coxa. Além disso, o formato do assento melhora e estabiliza a postura sentada, auxiliando a evitar a má adequação postural.

O material comumente empregado na confecção de assentos são as espumas flexíveis poliméricas, em especial as de poliuretano. De acordo com Vilar (2004), esta escolha se justifica pela capacidade de se produzir estas espumas em uma grande faixa de propriedades como a maciez, firmeza e resiliência, oferecendo um conforto único. Entretanto, os métodos mais comuns empregados na fabricação de componentes em espuma flexível utilizam ferramentas dedicadas, como a moldagem em molde fechado, o que inviabiliza economicamente sua utilização para a produção de componentes personalizados.

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Figura 1. Distribuição de pressão para diferentes tipos de assento (Carlson et al., 1995).

A usinagem por comando numérico computadorizado (CNC), técnica automatizada de fabricação baseada no corte do material com fácil reprogramação, pode ser considerada uma alternativa para a confecção de componentes personalizados em espuma flexível polimérica. No entanto, a natureza excessivamente flexível e porosa deste material faz com que a obtenção de um corte considerado adequado torne-se um desafio, tornando necessária a investigação da combinação “ideal” dos parâmetros de usinagem a ser aplicada. Infelizmente, estudos nesta área ainda são escassos.

Dentre os poucos estudos existentes, a maioria possui a limitação de serem de natureza qualitativa, avaliando a qualidade usinagem da espuma de forma subjetiva. Esta abordagem pode ser justificada pela natureza “macia” do material, a qual dificulta a realização das medições necessárias para uma análise quantitativa. Para contornar este problema, é necessário utilizar uma técnica de medição sem contato. Dentre as técnicas existentes, a digitalização tridimensional a laser é considerada uma das mais flexíveis, precisas e rápidas, sendo uma alternativa em potencial para a realização de medições em espumas. Outra técnica disponível é o projetor de perfis, menos flexível do que a digitalização tridimensional, porém a medição é realizada diretamente e baseada na visão humana, sem necessitar de nenhum processamento de dados intermediário que possa afetar os resultados.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

O presente estudo limita-se a avaliação de um único tipo de espuma flexível. O tipo escolhido foi a espuma flexível de poliuretano com densidade nominal de 50 kg/m³, mais conhecida como D50. Este tipo de espuma é comumente utilizado na fabricação de assentos na indústria moveleira e automotiva, sendo o tipo com a densidade mínima recomendada pela Nota Técnica 060/2001 (Brasil, 2001).

O processo de usinagem selecionado para o estudo foi o fresamento, pois de acordo com Machado et al. (2009), este processo é reconhecido pela versatilidade na produção de geometrias diversas, além de garantir elevadas taxas de remoção de material, visto que a ferramenta (fresa) possui múltiplas arestas de corte. Estas características são coincidentes com as desejadas para a aplicação proposta.

Em relação aos parâmetros de usinagem, a ferramenta e o sentido de corte utilizados foram selecionados seguindo o que já foi testado em estudo anterior realizado por Silva et al. (2011). Determinaram que, dentre as ferramentas estudadas, a mais adequada é a fresa de topo reto inteiriça de aço-rápido, com 6 milímetros de diâmetro, 2 arestas de corte e ângulo de hélice de 25°. Constataram que o sentido de corte que produz os melhores resultados em espumas D50 é o sentido discordante, e também que é possível usinar a mesma com uma rotação de 24000 rpm, máxima possível da fresadora utilizada (este foi o valor fixado para os ensaios deste trabalho). Desta forma, foi possível maximizar a velocidade de avanço mantendo o avanço por rotação da ferramenta em valores relativamente baixos.

Fixados os parâmetros de usinagem supramencionados, os demais foram selecionados para serem avaliados no presente estudo: avanço (f), profundidade de corte (ap) e penetração de trabalho (ae). Para cada parâmetro selecionou-se três valores diferentes de interesse, resultando em um total de 27 ensaios combinando estes valores entre si. Como a rotação é a mesma para todos os ensaios, o avanço foi testado na forma de velocidade de avanço (vf), que é o parâmetro de corte geralmente programado em máquinas com CNC e está diretamente relacionado à taxa de remoção de material.

A opção por três valores se justifica pela redução do número de ensaios enquanto mantendo uma faixa mínima para avaliação dos resultados: um valor relativamente baixo, um mediano e outro relativamente alto. Como “ap” e “ae” estão intimamente relacionados com o diâmetro de ferramenta, esta grandeza serve como base para auxiliar na seleção dos parâmetros testados. Os valores utilizados para cada um dos parâmetros de corte são apresentados na Tab. (1).

Tabela 1. Valores selecionados dos parâmetros de corte estudados.

Valores ae [mm] ap [mm] vf [mm/min]

1 1 3 1000

2 3 6 2000

3 6 12 4000

De modo a poder avaliar a influência dos parâmetros de corte nos ensaios realizados, o método selecionado foi a medição dimensional dos ensaios e a avaliação do desvio entre a dimensão obtida por usinagem e a dimensão nominal.

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Visto que a espuma flexível D50 é um material de baixíssima rigidez, os métodos de medição com contato não são recomendados; portanto, um método sem contato tem de ser aplicado. Neste estudo, dois métodos sem contato de natureza e características diferentes foram selecionados: a Digitalização Tridimensional a Laser e o Projetor de Perfis.

2.1. Ensaios de Usinagem

Para a realização dos ensaios de usinagem, a máquina utilizada foi uma fresadora CNC Tecnodrill modelo Digimill 3D instalada no Laboratório de Design e Seleção de Materiais (LdSM) da UFRGS. A metodologia utilizada foi inspirada na utilizada por Silva et al. (2011), onde diversos canais são fresados em um bloco de espuma variando-se os a combinação de parâmetros de corte utilizados em cada um. Para garantir a precisão dos ensaios foi realizada uma fase de preparação que consistiu de três partes, ilustrada pela Fig. (2) e descrita a seguir.

(a) (b) (c)

Figura 2. Preparativo para os ensaios: (a) mesa com esquadro e fita dupla face; (b) faceamento das espumas; (c) canais de preparação.

a) Preparou-se a mesa de usinagem, que consiste em uma chapa de MDF que é fixada à máquina e na qual foi usinado um esquadro, com o propósito de garantir que as paredes do bloco de espuma fiquem alinhadas com os eixos X e Y da máquina no momento da fixação. A espuma foi então fixada à mesa utilizando fita dupla face de alto desempenho 3M VHB. A escolha por este tipo de fixação se justifica pela flexibilidade deste método, uma vez que os outros métodos convencionais são geralmente baseados em exercer pressão no material, não podendo ser utilizados em espumas, pois causariam elevada deformação desta. Além disso, a natureza porosa, tanto da espuma como do MDF, garantem uma boa adesão da fita com estes dois materiais.

b) Os blocos de espumas foram faceados para garantir que o topo destes também esteja alinhado com os eixos da máquina.

c) Usinou-se para cada ensaio um canal de preparação de 100 mm de comprimento com a ferramenta entrando no bloco com seu diâmetro total (6 mm de espessura). Assim garantiu-se que uma quantidade uniforme de material fosse retirada ao longo de todo o corte quando o ensaio principal fosse realizado.

A etapa principal dos ensaios consiste, portanto, na aplicação de um offset bidimensional no caminho de ferramenta do canal de preparação cuja magnitude é igual à penetração de trabalho sendo testada, como apresentado na Fig. (3).

Isto resultou em canais de 8 mm × 101 mm, 12 mm × 103 mm e 18 mm × 106 mm.

(a)

(c) (b)

Figura 3. Vistas dos canais: (a) superior de preparação; (b) superior de ensaio; (c) lateral de ambos.

2.2. Verificação dos Resultados

Na etapa de verificação das dimensões obtidas nos canais ensaiados, o principal método utilizado foi a Digitalização Tridimensional a Laser. Este método é mais preciso e rápido que os sistemas com contato; porém,

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depende de alguns fatores como opacidade e cor da superfície a ser digitalizada (Silva, 2006). Outro fator que afeta a qualidade de digitalização é a presença de cantos vivos na superfície, pois causam o espalhamento do laser incidente.

Uma vez que a espuma flexível D50 é um material poroso (repleto de cantos vivos), brilhoso e de cor escura, a sua superfície é de difícil digitalização; consequentemente, os resultados obtidos poderiam não ser precisos. Visando verificar a confiabilidade dos dados obtidos pela Digitalização Tridimensional a Laser, escolheu-se um segundo método de medição sem contato: o Projetor de Perfis. Este é um método mais consagrado de medição dimensional baseado em um princípio diferente do laser, portanto não possui as mesmas limitações na medição do tipo de espuma utilizado.

2.2.1. Digitalização Tridimensional a Laser

Para a avaliação da precisão dimensional dos canais foi utilizado o cabeçote de digitalização laser de ponto Optimet modelo Conoprobe 1000 fixado na fresadora CNC Digimill 3D utilizada no corte. Este equipamento possui um conjunto de lentes cambiáveis com diferentes distâncias focais (50 mm, 150 mm e 250 mm); cada lente possui uma faixa de aquisição de dados e uma precisão vertical própria, relacionadas entre si de forma inversa – ou seja, quanto maior a faixa de aquisição, menor a precisão vertical, e vice-versa. Com base nos valores selecionados para a profundidade dos canais, determinou-se que a lente mais adequada para a medição é a de distância focal 150 mm, que possui precisão mínima de 0,035 mm e uma faixa de aquisição de 70 mm.

Uma vez que o cabeçote Conoprobe 1000 é do tipo laser de ponto, foi necessário ainda selecionar mais dois parâmetros de digitalização: a direção e a resolução da digitalização. Durante o processo de digitalização, uma área retangular selecionada da superfície é varrida pelo ponto laser em uma série de linhas paralelas entre si cuja direção pode ser escolhida entre o eixo X ou o eixo Y da máquina. A resolução se subdivide em dois tipos, a distância entre dois pontos de uma mesma linha e também a distância entre duas linhas consecutivas, sendo possível especificar um valor diferente para cada um desses dois tipos de resolução. A escolha de distâncias pequenas entre pontos (alta resolução) gera melhores resultados, porém representa um aumento no tempo de digitalização, uma vez que o cabeçote laser possui uma taxa de aquisição de pontos fixa, de aproximadamente 1000 pontos por segundo.

Através de ensaios preliminares, foi possível observar que uma resolução entre pontos superior a 0,001 mm produz resultados insatisfatórios; portanto, este valor limitante foi o escolhido. Para evitar que o tempo de digitalização seja muito elevado, foram selecionados valores maiores de distância entre linhas e, além disso, decidiu-se por não digitalizar o canal por completo, mas sim pequenas áreas deste que representem as medidas a serem tomadas. Digitalizou-se então uma área na entrada e outra no fundo do canal com as dimensões 8 mm × 2 mm, na direção do eixo X e resolução entre linhas de 0,05 mm, e outra área no meio do canal com as dimensões 12 mm × 26 mm na direção do eixo Y e resolução entre linhas de 0,35 mm, conforme ilustrado na Fig. (4).

Figura 4. Regiões digitalizadas nos canais.

Para atenuar os efeitos negativos relativos à natureza da superfície da espuma quanto à digitalização laser, é necessário aplicar um tratamento superficial. Um procedimento comum é a aplicação de revelador para ensaio de líquido penetrante em spray. Com isso, a superfície fica recoberta por um pó branco e opaco, condições ideais para a digitalização. Uma vez que Silva (2006) determinou que o tamanho médio da partícula deste pó é 9,78 μm, sua aplicação não afeta significativamente o resultado da digitalização desde que a camada de pó seja aplicada de maneira fina e uniforme.

Para a analise de dados obtidos foi utilizado o software Geomagic Studio®, no qual as duas primeiras áreas digitalizadas (entrada e fundo) foram utilizadas para medir o comprimento do canal e a outra (meio) para medir a largura e a altura. Este software conta com uma ferramenta para realizar medições de distâncias entre objetos e outra ferramenta que desenha planos que melhor se ajustam a um grupo de pontos selecionados, sendo ainda possível definir o vetor normal deste plano.

A medição da altura dos canais é simples de realizar, uma vez que as superfícies do topo e do fundo do canal pertencem ao plano de digitalização. Portanto, basta desenhar um plano para cada superfície e medir a distância entre os planos. Porém, para o comprimento e a largura, a medição é mais complexa, pois os planos de interesse pertencem às paredes do canal que são perpendiculares ao plano de digitalização, onde não é possível obter dados confiáveis. Para o comprimento e a largura decidiu-se, portanto, desenhar planos ligando as bordas das superfícies do topo e do fundo. Isto representa um problema em termos de precisão, uma vez que a seleção de pontos afeta o resultado e depende de fatores subjetivos relacionados ao usuário do software. A Figura (5) ilustra o procedimento de análise.

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(a) (b) (c)

Figura 5. Planos gerados no Geomagic Studio®: (a) para análise da altura; (b) para análise da largura;

(c) detalhe da borda. Os pontos vermelhos são os selecionados para ajuste de planos.

2.2.2. Projetor de Perfis

Para verificar os resultados obtidos pela digitalização tridimensional a laser foi utilizado um Projetor de Perfis Mitutoyo modelo PJ-300H. O equipamento pertence ao Laboratório de Fundição (LAFUN) da UFRGS. Este tipo de equipamento é específico para peças de pequenas dimensões e, por isso, as medições não puderam ser realizadas diretamente no bloco de espuma; deste modo, partes do bloco tiveram de ser retiradas. Como o comprimento dos canais é longo demais para medir no projetor de perfil, decidiu-se por remover cuidadosamente parte da entrada dos canais utilizando um estilete e medir nestes os valores de profundidade e largura. Estes valores foram então comparados com os obtidos na digitalização de modo a poder verificar a diferença entre os dois e com isso validar a digitalização.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Durante a realização dos ensaios de corte (fresamento dos canais) não ocorreu nenhuma anomalia grave; a única particularidade notada ocorreu durante os ensaios utilizando o diâmetro total da ferramenta para penetração de trabalho.

Nestes casos, o material não foi removido completamente, permanecendo fixo à espuma por uma parede fina no fundo do canal (Fig. 6). Entretanto, esta parede era tão fina que este material remanescente pôde ser facilmente destacado manualmente sem prejudicar o acabamento do canal. Provavelmente este efeito é uma consequência da deformação do material ocorrida durante a usinagem, com as paredes da espuma se expandindo durante o fresamento do canal de preparação e deixando uma pequena quantidade de sobrematerial. Assim, durante o corte com o diâmetro total da ferramenta, a largura do material é na verdade levemente maior do que o diâmetro da ferramenta. Como a elevada elasticidade do material permite que esta porção extra “fuja” da ferramenta ao invés de se quebrar ou ser removida, acaba-se formando esta parede fina.

(a) (b)

Figura 6. Material não removido totalmente: (a) porção do material permanece fixa ao bloco com penetração de trabalho máxima; (b) remoção manual da porção de material.

Para as análises feitas por digitalização tridimensional, foi adotado como referência para a tolerância máxima admissível o valor de 5 mm definido por Jones e Riouxb (1997) para medições efetuadas do tronco e membros do corpo humano. Esta escolha se justifica pelo fato de que o método mais empregado atualmente na fabricação de assentos personalizados baseia-se na remoção manual do material de um bloco de espuma por desbaste com estilete; isto produz erros muito superiores ao valor mencionado, além da própria aplicação, uma vez que a espuma se deforma durante o uso, o que minimizaria os desvios dimensionais. Todavia, deseja-se que os valores obtidos sejam bem abaixo dos 5 mm para evitar que a propagação de incertezas deste processo atinja este valor.

A Figura (7) mostra os gráficos dos resultados obtidos para a digitalização da profundidade dos canais e para a medição com o projetor de perfis de acordo com as diferentes combinações mostradas na Tab. (2).

Observa-se na Fig. (7) que os dados digitalizados mostraram uma exatidão satisfatória para a profundidade dos canais. Os desvios entre os valores medidos e o nominal não ultrapassaram 0,5 mm (menos de 1/10 da tolerância adotada), com a diferença absoluta obtida entre o valor medido e o valor nominal variando de um mínimo de 0,002 mm (Fig. (7a) – combinação 9) até um máximo de 0,120 mm (Fig. (7c) – combinação 1); se o resultado for expresso em

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valores percentuais, entre 0,04% e 2,53% da profundidade do canal. Um dado interessante em relação à profundidade dos canais é que os valores obtidos por digitalização são maiores do que os valores nominais dos canais. Isto pode ser explicado pelo efeito observado por Shih et al. (2004) em que a utilização de fresas com ângulo de hélice positivos tende a levantar (puxar para cima) o material, reduzindo a exatidão de corte.

Tabela 2. Valores referentes ao eixo das abscissas da Figura (7).

Combinação 1 2 3 4 5 6 7 8 9

ae [mm] 1 1 1 3 3 3 6 6 6

vf [mm/min] 1000 2000 4000 1000 2000 4000 1000 2000 4000

(a) (b) (c)

Figura 7. Valores da profundidade do canal digitalizados, medidos com o projetor de perfis e nominais obtidos para diferentes combinações de ae e vf com: (a) ap = 3 mm; (b) ap = 6 mm; (c) ap = 12 mm.

A análise realizada no projetor de perfil confirma estes resultados de medição de profundidade, apresentando diferenças entre os valores medidos e o nominal de um mínimo de 0,013 mm (Fig. (7b) – combinação 3) a um máximo de 0,213 mm (Fig. (7c) – combinação 7), com os valores também ligeiramente maiores do que o nominal.

A diferença entre os valores obtidos por digitalização tridimensional e pelo projetor de perfis ficou entre 0,003 mm (Fig. (7a) – combinação 6) e 0,202 mm (Fig. (7b) – combinação 8). Estas diferenças são relativamente baixas, o que validaria a digitalização tridimensional como ferramenta para realizar medições em espumas.

Ademais, os valores obtidos para ae = 6 mm têm comportamento bastante aleatório, o que poderia representar que a remoção manual da parte do material que permanece aderida ao canal pode afetar o resultado da medição.

A Figura (8) mostra os gráficos dos resultados obtidos para a digitalização da largura dos canais e para a medição com o projetor de perfis considerando as diferentes combinações mostradas na Tab. (3).

Tabela 3. Valores referentes ao eixo das abscissas da Figura (8).

Combinação 1 2 3 4 5 6 7 8 9

ap [mm] 3 3 3 6 6 6 12 12 12

vf [mm/min] 1000 2000 4000 1000 2000 4000 1000 2000 4000

(a) (b) (c)

Figura 8. Valores da largura do canal digitalizados, medidos com o projetor de perfis e nominais obtidos para distintas combinações de ap e vf com: (a) ae = 1 mm; (b) ae = 3 mm; (c) ae = 6 mm.

2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Profundidade [mm]

Combinação de aecom vf

Profundidade do Canal (ap= 3 mm)

Digitaliz.

Proj. Perf.

Nominal

5,0 5,5 6,0 6,5 7,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Profundidade [mm]

Combinação de aecom vf

Profundidade do Canal (ap= 6 mm)

Digitaliz.

Proj. Perf.

Nominal

11,0 11,5 12,0 12,5 13,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Profundidade [mm]

Combinação de aecom vf

Profundidade do Canal (ap= 12 mm)

Digitaliz.

Proj. Perf.

Nominal

6 7 8 9 10

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Largura [mm]

Combinação de apcom vf

Largura do Canal para ae= 1 mm

Digitaliz.

Proj. Perf.

Nominal

10 11 12 13 14

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Largura [mm]

Combinação de apcom vf

Largura do Canal para ae= 3 mm

Digitaliz.

Proj. Perf.

Nominal

16 17 18 19 20

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Largura [mm]

Combinação de apcom vf

Largura do Canal para ae= 6 mm

Digitaliz.

Proj. Perf.

Nominal

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É possível notar que a avaliação da largura apresentou desvios maiores do que a profundidade. O desvio absoluto entre os valores digitalizados e o nominal do valor de largura ficou na faixa de 0,046 mm (Fig. (8c) – combinação 8) a 1,751 mm (Fig. (8c) – combinação 1) ou de 0,256% a 21,7%, valores relativamente elevados. Pela digitalização tridimensional a laser, foi possível constatar que o desvio supracitado diminui conforme aumenta a penetração de trabalho. A explicação mais provavelmente para esse fenômeno se deve ao fato que os esforços de usinagem causam uma deformação no material, de forma que quando a ferramenta entra em contato, o material se desloca para longe das arestas de corte e depois sofre uma recuperação elástica. Assim, apenas uma parte que deveria ser cortada é efetivamente removida. Com o aumento da penetração de trabalho, aumenta a força de usinagem nesta direção e, consequentemente, a deformação do material. Porém, quanto mais o material se deforma, mais este vai se tornando rígido, de forma que o aumento relativo desta deformação diminui.

O projetor de perfil indicou uma diferença entre valores obtidos e os nominais na faixa entre 0,039 mm (Fig. (8b) – combinação 3) e 1,031 mm (Fig. (8c) – combinação 9), indo de acordo com a digitalização no que diz respeito a apresentar incertezas maiores no plano horizontal, onde os esforços de usinagem são provavelmente maiores.

A diferença entre os valores digitalizados e os medidos no projetor de perfis resultou em uma faixa de valores de 0,370 mm (Fig. (8a) – combinação 2) a 1,435 mm (Fig. (8a) – combinação 3), o que indicaria a digitalização como

“inapropriada” na medição de espumas. Entretanto isto é exclusivo para medições que necessitam dados perpendiculares ao plano de digitalização, o que exige uma análise computacional mais cuidadosa e também está sujeito ao erro natural do digitalizador laser em cantos vivos (vide Fig. (5)). Apesar disso, esta diferença ainda está dentro da tolerância estabelecida e, portanto, os valores obtidos por digitalização podem ser aceitos, embora não seja o mais recomendado. Também é possível constatar de forma geral que a diferença entre os dois métodos diminui com o aumento da penetração de trabalho (vide Fig. (8)), de forma que a imprecisão causada pelo processamento computacional e pelas bordas do canal não varia sensivelmente com o aumento deste parâmetro.

A Figura (9) mostra os gráficos dos resultados obtidos para a digitalização do comprimento dos canais para diferentes velocidades de avanço (vf) considerando as combinações de “ap” e “ae” mostradas na Tab. (4).

Tabela 4. Valores referentes ao eixo das abscissas da Figura (9)

Combinação 1 2 3 4 5 6 7 8 9

ap [mm] 3 3 3 6 6 6 12 12 12

ae [mm] 1 3 6 1 3 6 1 3 6

(a) (b) (c)

Figura 9. Valores do comprimento do canal digitalizados e nominais obtidos para distintas combinações de ap e ae com: (a) vf = 1000 mm/min; (b) vf = 2000 mm/min; (c) vf = 4000 mm/min.

A digitalização do comprimento do canal apresentou desvios entre os valores medidos e o nominal na faixa de 0,473 mm (Fig. (9b) – combinação 8) a 1,578 mm (Fig. (9a) – combinação 2), ou entre 0,46% e 1,53% do comprimento do canal se o resultado for expresso em valores percentuais – valores estes relativamente baixos. Isso mostra que a exatidão dos comprimentos dos canais usinados não possui uma relação íntima com sua dimensão, mas sim com os parâmetros de usinagem.

De forma qualitativa, observa-se pela Fig. (9) que a precisão do comprimento do canal foi comprometida nas situações em que ap = 3 mm ou vf = 4000 mm/min, e/ou que foi favorecida com ae = 6 mm ou vf = 2000 mm/min.

Com o intuito de determinar qual a combinação de parâmetros que maximiza a taxa de produção sem prejudicar a precisão e o acabamento das espumas, foi calculado o produto dos três desvios em relação ao valor nominal (largura, profundidade e comprimento) segundo a digitalização a laser; e o produto foi dividido pela taxa de remoção de material.

O resultado é um índice denominado “D³/Q” que mede a relação entre taxa de remoção e precisão. Em seguida, as combinações de parâmetros foram categorizadas baseadas neste índice, onde o melhor valor é o mínimo. A Tab. (5) traz listadas as seis combinações de parâmetros com os menores valores do índice “D³/Q” e os respectivos valores de erros, taxa de remoção e acabamento.

99 101 103 105 107

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Comprimento [mm]

Combinação de apcom ae

Comprimento do Canal (vf= 1000 mm/min) Digitaliz. Nominal

99 101 103 105 107

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Comprimento [mm]

Combinação de apcom ae

Comprimento do Canal (vf= 2000 mm/min) Digitaliz. Nominal

99 101 103 105 107

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Comprimento [mm]

Combinação de apcom ae

Comprimento do Canal (vf= 4000 mm/min) Digitaliz. Nominal

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Tabela 5. Otimização de parâmetros de usinagem para a máxima taxa de remoção de material.

vf = 2000 mm/min vf = 4000 mm/min

ap = 12 mm ap = 12 mm ap = 3 mm ap = 6 mm ap = 12 mm ae = 3 mm ae = 6 mm ae = 3 mm ae= 6 mm

Combinação 1 2 3 4 5 6

Q 103 [mm³/min] 72 144 144 72 144 288

Desvio Profundidade [mm] 0,015 0,005 0,009 0,002 0,030 0,050

Desvio Largura [mm] 0,491 0,046 0,322 1,183 0,188 0,361

Desvio Comprimento [mm] 0,473 0,809 0,820 1,074 0,545 0,863

Prod. dos Desvios D3 10-3 [mm³] 3,484 0,186 2,376 2,541 3,074 15,58

D³/Q 10-9 [min] 48,38 1,292 16,50 35,29 21,35 54,09

Na Tabela (5) é possível perceber que a correlação de parâmetros que resulta na maior precisão associada das dimensões (D³/Q = 1,29210-9 min) é a Combinação 2: vf = 2000 mm/min, ap = 12 mm e ae = 6 mm.

Por também possuir a segunda maior taxa de remoção de material (Q) a combinação 2 seria a ideal para otimizar a taxa de remoção de material combinada com aceitável precisão dimensional. A combinação 6 resulta na máxima Q e é a que possuí o maior índice D³/Q dentre as apresentadas; porém, pode muito bem ser utilizada sem grandes prejuízos, caso a principal intenção seja a elevada taxa de remoção de material sem precisar de grande precisão dimensional. Das demais combinações listadas na Tab. (5), a combinação 4 não é recomendada, uma vez que apresenta um alto desvio no comprimento do canal em relação ao valor nominal (1,074 mm), sendo esta justamente a única com profundidade de corte de 3 mm. Ainda pode-se destacar a presença marcante de ap = 12 mm e vf = 4000 mm/min (embora a sua combinação possa causar problemas) e a ausência de ap = 1 mm e vf = 1000 mm/min.

Conclusões mais precisas e definitivas poderiam ser tiradas se uma análise estatística pudesse ser aplicada, mas como no presente estudo apenas um ensaio foi realizado para cada combinação de parâmetros, existe o risco que alguns valores obtidos sejam fruto de erros de medição ou anomalias no processo. Seria necessário, portanto, a repetição dos testes e das medições para estabelecer uma resposta definitiva.

4. CONCLUSÕES

Com os resultados obtidos neste trabalho conclui-se que é possível usinar espumas poliméricas flexíveis de alta densidade satisfatoriamente para uma gama de combinações de parâmetros de usinagem, embora não seja recomendável utilizar o diâmetro inteiro da ferramenta na penetração de trabalho.

O processo de usinagem mostrou maior exatidão na profundidade dos canais onde nas condições de teste realizadas, a maior diferença entre o valor nominal e o medido foi 0,120 mm. Um cuidado a ser tomado ao se definir a profundidade do corte é que os valores medidos foram, em geral, maiores do que o nominal; assim, um erro cometido na usinagem não permitirá retrabalho.

A largura dos canais apresentou um desvio maior, máximo de 1,751 mm, mas que ainda se encontra dentro do limite aceitável de 5 mm. Este aumento do desvio se deve aos esforços de avanço, que provocam maiores deformações na espuma durante o corte neste plano. O uso de maiores penetrações de trabalho mostrou de maneira geral ser capaz de reduzir este valor.

A análise do comprimento dos canais mostrou um comportamento similar ao da largura, o que mostra que a imprecisão do processo não possui uma dependência em relação às dimensões usinadas, mas sim em relação aos parâmetros selecionados.

A verificação da digitalização tridimensional a laser através do projetor de perfil demonstrou que esta pode ser aplicada como ferramenta de medição em espumas com boa precisão, desde que a superfície usinada seja o menos perpendicular possível ao plano de digitalização, como é o caso da profundidade dos canais. Para a largura dos canais, o erro obtido mostra que a digitalização a laser não é um método de medição muito adequado, embora os valores obtidos ainda estejam dentro do tolerado.

Para a otimização da taxa de remoção de material através do índice “D³/Q”, os resultados apontam que a combinação 2 (vf = 2000 mm/min, ap = 12mm e ae = 6 mm) é adequada para uma alta taxa de remoção com relativa precisão. Entretanto, ficou claro que a utilização de todos os parâmetros máximos, com vf = 4000 mm/min, também é capaz de produzir resultados satisfatórios em termos de exatidão e textura da superfície. Contrariando o usual, a utilização de baixos valores de “vf”, “ap” e “ae” produziu resultados insatisfatórios.

5. REFERÊNCIAS

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(9)

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Silva, F. P.; Beretta, E. M.; Kindlein Junior, W., 2011, “Avaliação da usinabilidade de espumas de poliuretano flexível”, Anais do VI Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, ABCM, Caxias do Sul, Brasil.

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Disponível em: http://www.poliuretanos.com.br, Acesso em: 03 fev. 2011.

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6. DIREITOS AUTORAIS

Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no trabalho.

RESEARCH AND IMPROVEMENT OF MILLING PROCESS IN D50 FLEXIBLE POLYURETHANE FOAMS

Mauricio Rockenbach, mauricio.rockebach@terra.com.br1 Fabio Pinto da Silva, fabio.silva@ufrgs.br2

André João de Souza, ajsouza@ufrgs.br1

1 Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), Departamento de Engenharia Mecânica (DEMEC), Rua Sarmento Leite, nº 425 – Cidade Baixa – CEP 90050-170 – Porto Alegre, RS.

2 Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), Programa de Pós-Graduação em Design (PG Design), Rua Osvaldo Aranha, nº 99 - Sala 607 – Bom Fim – CEP 90035-190 – Porto Alegre, RS.

Abstract. Wheelchair users commonly suffer with two issues: poor sitting posture and the eventual appearance of pressure sores. Recent studies point out that the use custom seating shaped based on the pacient anathomy helps to treat and even prevent these two problems. The problem is that the commonly used material for seating manufacturing is the D50 polyuthane flexible foam, and its traditional methods for manufacturing shaped products are very dedicated.

Milling is an alternative given its flexibility, however, the machining parameters for this kind of material are still not well known. Considering the exposed above, this paper evaluates the effects of three machinig parameters (depth of cut

“ap”, width of cut “ae” and feed rate “vf”) in the face milling of the D50 foam, seeking the maximum material removal rate witout compromising the dimmensional accuracy. Twenty seven slots were machined in D50 foam blocks with a different combination of three values for each one of the three cutting parametes studied. To evaluate the accuracy of the process, it was proposed the use of 3D laser digitizing, and a profile projector was employed to validate this technique. The results indicates that even at high material removal rates it is possible to obtain relative accurate dimmensions in machining of foam, specially in the depth direction (Z axis). Considerig the proposed objectives, it was determined that the best combination of parametes was: vf = 2000 mm/min, ap = 12 mm and ae = 6 mm. It was also determined that the 3D laser digitizing technique is adequate for measuring the height in D50 foams, with a maximum deviation of 0.2 mm from the nominal value. However, this techniques is much less accurate for measuring other dimmension (based on the slot walls).

Keywords: face milling, flexible polyurethane foams, custom seating for wheelchair users, 3D laser digitizing.

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