VINICIUS CAVALLARI SILVA AMARAL
IMPLEMENTAÇÃO DE UM DOSADOR E ESPATULADOR
DE GESSO PARA PADRONIZAÇÃO DOS TRABALHOS
REALIZADOS EM UM LABORATÓRIO DE PRÓTESES
DENTÁRIAS
FOZ DO IGUAÇU 2018
IMPLEMENTAÇÃO DE UM DOSADOR E ESPATULADOR DE GESSO
PARA PADRONIZAÇÃO DOS TRABALHOS REALIZADOS EM UM
LABORATÓRIO DE PRÓTESES DENTÁRIAS
Trabalho de conclusão de curso apresentado como requisito obrigatório para obtenção do título de Ba-charel em Ciência da Computaçãodo Centro Univer-sitário Dinâmica das Cataratas.
Orientador: Dr. Miguel Diogenes Matrakas
FOZ DO IGUAÇU 2018
GESSO PARA PADRONIZAÇÃO DOS TRABALHOS REALIZA-DOS EM UM LABORATÓRIO DE PRÓTESES DENTÁRIAS / Vi-nicius Cavallari Silva Amaral – Foz do Iguaçu, 2018.
59 f. : il. color.;
Trabalho de Conclusão de Curso – Centro Universitário Dinâmica das Cataratas (UDC). 2018.
Orientador: Dr. Miguel Diogenes Matrakas Bibliografia: p. 55 – 58
1. Dosador de gesso. 2. Celulas de carga. 3. Arduino. I. Dr. Miguel Diogenes Matrakas. II. Centro Universitário Dinâmica das Cataratas. III. Ciência da Computação. IV. IMPLEMENTAÇÃO DE UM DO-SADOR E ESPATULADOR DE GESSO PARA PADRONIZAÇÃO DOS TRABALHOS REALIZADOS EM UM LABORATÓRIO DE PRÓTESES DENTÁRIAS
Vinicius Cavallari Silva Amaral
IMPLEMENTAÇÃO DE UM DOSADOR E ESPATULADOR
DE GESSO PARA PADRONIZAÇÃO DOS TRABALHOS
REALIZADOS EM UM LABORATÓRIO DE PRÓTESES
DENTÁRIAS
Trabalho de Conclusão de curso apresentado como um requisito obrigatório para obtenção do título de Bacharel em Ciência da Computação do Centro Universitario Dinamica das Cataratas
Dr. Miguel Diogenes Matrakas
Centro Universitário Dinâmica das Cataratas (Orientador)
Prof. Banca 2
Centro Universitário Dinâmica das Cataratas
Prof. Banca 3
Centro Universitário Dinâmica das Cataratas
que, com muito amor, me ensinaram os valores da vida, e me auxiliaram financeiramente e emocionalmente desde o inicio até o fim de minha formação.
Primeiramente agradeço a Deus por sua graça e salvação. À minha família, por terem me proporcionado uma ótima educação e apoio. Ao meu amigo Leonardo Jesus de Queiroz que me ajudou em algumas etapas de desenvolvimento deste trabalho. A todos os professores que fizeram parte desta importante etapa da minha vida. Ao ao meu orientador, o Dr Miguel Diogenes Matrakas, por me auxiliar em todas as etapas de desenvolvimento do meu trabalho de conclusão de curso.
Atualmente nos laboratórios de prótese dentária o processo de manipulação e dosagem de gesso, normalmente, é realizado manualmente, e o tempo dedicado para a execução desta atividade vem se tornando um problema para os protéticos, devido a quantidade de modelos que são preparados por dia. Este trabalho tem como objetivo prototipar um equipamento que realize a dosagem correta de água e gesso e, também, faça mistura dos componentes em uma cápsula a vácuo. O protótipo utiliza uma célula de carga e um con-versor AD atuando como uma balança de precisão responsável por medir a quantidade de gesso e água informadas pelo usuário. Utiliza-se de um Arduíno mega 2560 para con-trolar todo o sistema, devido ao seu elevado número de portas digitais necessárias para realizar todas as conexões do sistema. O Arduíno utiliza relés para controla a extrusão de gesso e bombeamento de água. O protótipo conta com um teclado matricial, que o usuário deve utilizar para informar a quantidade de gesso e água desejados. O processo de dosagem se inicia com o gesso, Acionando-se o extrusor ao mesmo tempo que é realizada a leitura da célula de carga, para determinar o peso do material, ao atingir a quantidade desejada o sistema de extrusão é desativado e se inicia o mesmo procedimento para dosar a quantidade de água necessária.O processo manipulação consiste em um copo especial que contém uma espátula na tampa, um motor responsável por misturar o gesso e uma bomba a vácuo usada para retirar todo o ar existente no interior do copo durante o pro-cedimento de mistura (espatulação), estes equipamentos são acionados por outro relé e as informações de tempo de manipulação são informadas pelo usuário.
Currently in dental laboratories the process of manipulation and dosing of plaster is usu-ally performed manuusu-ally, and the time dedicated to performing this activity has become a problem for prosthetics, due to the number of models that are prepared per day. This work aims to prototype an equipment that performs the correct dosing of water and gyp-sum and also mixes the components in a vacuum capsule. The prototype uses a load cell and an AD converter acting as a precision scale responsible for measuring the amount of gypsum and water reported by the user. It uses a Mega Arduino 2560 to control the entire system, due to its high number of digital ports required to make all system connections. Arduino uses relays to control plaster extrusion and water pumping. The prototype has a matrix keyboard, which the user must use to inform the amount of gypsum and water desired. The dosing process starts with the gypsum. The extruder is started at the same time as the load cell is read, to determine the weight of the material, when the desired quantity is reached the extrusion system is deactivated and the The dosing process con-sists of a special glass containing a spatula on the lid, a motor responsible for mixing the plaster and a vacuum pump used to remove all the air inside the glass during the blending procedure, these devices are driven by another relay and the handling time information is informed by the user.
FIGURA 1 – Implantes dentários . . . 14
FIGURA 2 – Má adaptação das próteses . . . 15
FIGURA 3 – Modelo em gesso . . . 15
FIGURA 4 – Modelo da arcada dentária em gesso especial . . . 18
FIGURA 5 – Moldagem em alginato . . . 19
FIGURA 6 – Moldagem em silicone . . . 19
FIGURA 7 – Dosador de gesso . . . 22
FIGURA 8 – Espatulador de gesso . . . 22
FIGURA 9 – Troquel . . . 23
FIGURA 10 – Preparo . . . 23
FIGURA 11 – Etapas do processo de fundição . . . 24
FIGURA 12 – Metal adaptado . . . 25
FIGURA 13 – Microcontroladores . . . 28
FIGURA 14 – Diagrama de Blocos Microcontrolador atMega 2560 . . . 29
FIGURA 15 – Arduíno UNO . . . 31
FIGURA 16 – Arduíno Mega 2560 . . . 31
FIGURA 17 – Célula de Carga PW6BD1 . . . 32
FIGURA 18 – Datasheet célula de carga . . . 33
FIGURA 19 – Conversor AD . . . 34
FIGURA 20 – Amostragem . . . 34
FIGURA 21 – Relé SRD-05VDC-SL-C . . . 35
FIGURA 22 – Bomba de água . . . 35
FIGURA 23 – Bomba a vácuo . . . 36
FIGURA 24 – Servo motor 9G SG90 TowerPro . . . 37
FIGURA 25 – Liquid crystal display ADM 1602K-NSW-FBS . . . 37
FIGURA 26 – Conexões teclado matricial . . . 38
FIGURA 27 – Copo especial para o espatulador . . . 39
FIGURA 28 – Regulador de Tensão LM2596 . . . 39
FIGURA 29 – Espatula . . . 42
FIGURA 30 – Diagrama de simulação do projeto . . . 43
FIGURA 31 – Esquemático Elétrico do Protótipo . . . 44
FIGURA 32 – Fluxo de atividades para inserção de dados . . . 46
FIGURA 33 – Fluxo de atividades dos modos de dosagens . . . 46
FIGURA 34 – Fluxo de atividades dosagem . . . 47
FIGURA 35 – Fluxo de Atividades do espatulador . . . 48
GRÁFICO 1 – Resultados registrados com a dosagem de gesso V1 . . . 50
GRÁFICO 2 – Primeiros Resultados Dosagem de Água . . . 51
GRÁFICO 3 – Primeiros Resultados Dosagem de Gesso . . . 52
GRÁFICO 4 – Resultados dosagem de água 6V . . . 52
GRÁFICO 5 – Resultados dosagem de água 2.5V . . . 53
AD Analógico-digital
ATX Advanced Technology Extended - Tecnologia Avançada Estendida
CI Circuito Integrado
CNO Concelho Nacional de Odontologia
CPU Central Processing Unit - Unidade Central de Processamento
EEPROM Electrically erasable programmable read-only memory - Memória So-mente Leitura Programável Apagável EletricaSo-mente
Hz Hertz
LCD Liquid crystal cisplay - Visor de Cristal Líquido
ML Mililitro
SRAM Static Random Access Memory - Memória Estática de Acesso Aleatório T/C Timer/Counters - Temporizador/Contador
UDC União Dinâmica das Cataratas
1 INTRODUÇÃO . . . 14 1.1 OBJETIVOS . . . 16 1.2 OBJETIVO ESPECIFICO . . . 16 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . 18 2.1 MOLDAGENS . . . 18 2.2 CARACTERÍSTICAS DO GESSO . . . 20
2.3 MANIPULAÇÃO E DOSAGEM DO GESSO . . . 21
2.4 PROBLEMAS DE UM MODELO IRREGULAR . . . 22
2.5 AUTOMAÇÃO DE PROCESSO . . . 25
3 MATERIAIS E MÉTODOS . . . 27
3.1 Microcontrolador . . . 27
3.2 Células de Carga . . . 32
3.3 Conversor analógico-digital (AD) . . . 33
3.4 Relés . . . 34
3.5 Bombas . . . 35
3.6 Servo Motor . . . 36
3.7 Liquid crystal display (LCD) . . . 36
3.8 Teclado . . . 37
3.9 Copo Espatulador . . . 38
3.10 Regulador de tensão . . . 38
4 DESENVOLVIMENTO . . . 40
4.1 REQUISITOS FUNCIONAIS . . . 40
4.2 REQUISITOS NÃO FUNCIONAIS . . . 41
4.3 CONSTRUÇÃO DO HARDWARE PRIMEIRA VERSÃO . . . 41
4.4 PROBLEMAS ENCONTRADOS APÓS OS TESTES . . . 43
4.4.1 Sistema Hidráulico . . . 43
4.4.2 Alimentação do sistema . . . 44
4.5 CONSTRUÇÃO DO HARDWARE SEGUNDA VERSÃO . . . 45
4.6 FLUXO DE EXECUÇÃO DO PROTÓTIPO . . . 45
5.2 RESULTADOS OBTIDOS COM O SEGUNDA VERSÃO DO
DOSA-DOR DE GESSO . . . 51
5.3 CONCLUSÕES . . . 54
5.4 TRABALHOS FUTUROS . . . 55
1 INTRODUÇÃO
Em clínicas odontológicas o cirurgião dentista é responsável por realizar os pro-cedimentos médicos invasivos nos pacientes, como os implantes dentários. Segundo Misch (2011) a procura por este tipo de tratamento vem aumentando exponencialmente com o passar dos anos, devido a má performance das próteses removíveis, em relação às próteses fixas. Com material de alta durabilidade, melhor acabamento e transparência, é possível chegar em uma prótese com detalhes naturais.
Como é possível visualizar na Figura 1, em um trabalho bem feito de implanto-dontia fica muito difícil diferenciar as próteses dos dentes naturas.
FIGURA 1 – Implantes dentários FONTE – Odonto Center (2018)
A confecção de próteses fixas exigem muito tempo e dedicação, e envolvem dois profissionais diferentes durante sua produção. O cirurgião dentista é responsável por re-alizar o preparo na boca do paciente com o auxílio de uma broca especial, desgastando o dente existente para que assuma um formato que possibilite o posicionamento da prótese, como é possível visualizar no detalhe da Figura 1. Este profissional também é responsável por fixar a prótese pronta no preparo realizado em boca, com o utilização de um cimento especial, e finalizar o trabalho de implantodontia. Entretanto, a produção das próteses não é realizada na clínica odontológica. Este procedimento é realizado em um laboratório de próteses dentárias, com profissionais que se especializam em cursos sobre anatomia e esculturas dentárias.
Este tipo de trabalho é muito delicado na questão de saúde, pois uma prótese com má adaptação pode gerar um acúmulo de bactérias no preparo. A Figura 2 mostra a boca de um paciente que estava sentindo muita dor e, ao retirar as próteses, o cirurgião dentista relatou que, devido a uma má adaptação, houve uma infiltração nos preparos do paciente, gerando uma cárie nos dois dentes centrais.
FIGURA 2 – Má adaptação das próteses FONTE – Leite (2018)
Moldagens incorretas ou erros laboratoriais na confecção de próteses dentárias fixas estão entre as principais causas para má adaptações em coroas dentárias em porcelana. A condição de desadaptação cria espa-ços para o acúmulo de placa bacteriana, causa para cáries dentárias e doenças gengivais. Leite (2018)
Um protético não tem autorização para realizar tratamentos nos pacientes, pois apenas os dentistas têm, em sua formação, o treinamento adequado para realizar estes procedimentos. Então, para possibilitar a confecção da prótese, deve ser fabricado um modelo em gesso com uma copia fiel dos detalhes da arcada dentaria do paciente. Para realizar este procedimento cirúrgico, o dentista deve confeccionar um molde da arcada dentaria do paciente e envia-lo ao laboratório, para que o protético utilize este molde na fabricação do modelo em geso, ilustrado na Figura 3 (CONSELHO NACIONAL DE ODONTOLOGIA, 2012).
FIGURA 3 – Modelo em gesso FONTE – Elaborado Pelo Autor
Problemas podem ocorrer nas dosagens de gesso e água na fabricação dos modelos. Uma mistura com excesso de água resulta em um gesso quebradiço, fazendo com que não seja possível a confecção das próteses. Já um modelo com pouca água, dificulta o ato
de preencher a moldagem do paciente com gesso, pois a mistura se torna muito espeça, aumentando a chance de aparecerem bolhas durante o processo de confecção do modelo. Em um laboratório de confecção de próteses, normalmente não existem equipa-mentos para realizar este tipo de dosagem, sendo todo o processo realizado manualmente. Um funcionário deve pesar a quantidade de gesso desejada e utilizar um copo dosador para medir a quantidade de água necessária. Estes materiais são misturados com uma espátula (ou com um espatulador a vácuo) até que se obtenha uma mistura homogênea. "A espatulação deve ser vigorosa e por, aproximadamente, 45 segundos, tempo suficiente para incorporar. todo pó ao líquido para obter uma massa cremosa." (MATTOS et al., 2000).
O protético Edson Luiz Amaral, responsável pelo laboratório de prótese EL Ama-ral, relatou o seguinte problema recorrente no dia-a-dia: "Devido ao grande fluxo de tra-balho, algumas vezes, a dosagem de gesso não é realizada conforme o especificado pelo fabricante, gerando um desperdício muito grande de gesso e aumentado a quantidade de modelos quebradiços, resultando em um aumento no custo operacional do laboratório." 1.1 OBJETIVOS
O objetivo deste projeto é desenvolver um protótipo composto por dois módulos: o primeiro módulo responsável pela dosagem correta de gesso e água especificada pelo usuário, e o segundo módulo responsável pela mistura dos componentes, de forma a obter uma massa homogênea e sem bolhas de ar, para gerar uma massa de gesso mais forte.
O protótipo proposto tem como objetivo buscar uma solução para resolver o pro-blema relatado pelo Laboratório EL Amaral, criando um produto que agilize os trabalhos de moldagem do laboratório de uma forma padronizada e de baixo custo.
1.2 OBJETIVO ESPECIFICO
Neste tópico serão apresentados todos os objetivos que foram necessários para iniciar as pesquisas e o desenvolvimento do projeto.
∙ Realizar um estudo envolvendo os processos de fabricação do gesso e suas condições ideais de armazenamento.
∙ Estudar os problemas ocasionados por modelos laboratoriais confeccionados com dosagens irregulares de gesso e suas consequências a longo prazo.
∙ Pesquisar artigos e projetos que tenham como objetivo, a construção de um disposi-tivo que realize automação de processos e que possuam características similares ao proposto no projeto, com a finalidade de auxiliar na definição dos componentes ne-cessários para a construção do protótipo, como atuadores, sensores e controladores.
∙ Pesquisar os produtos existentes hoje no mercado, que auxilie os processos de dosa-gem e espatulação de gesso, e entender como essas ferramentas funcionam.
∙ Definir a plataforma de desenvolvimento e iniciar a construção do sistema de controle dos motores responsáveis pela dosagem de gesso e bombeamento de água.
∙ Realizar estudos que possibilitem a implementação de uma balança de precisão utilizada como o principal sensor do protótipo.
A seguir será apresentada uma breve descrição dos assuntos que serão tratados nos capítulos da revisão bibliográfica, desenvolvimento e análise dos resultados do projeto. No capítulo referente á revisão bibliográfica, é possível visualizar a importância dos modelos laboratoriais, e as consequências que surgem devido a manipulação e dosagem de gesso irregulares. Também há uma análise dos produtos existentes no mercado que auxiliam na manufatura das próteses, seguido por uma explicação sobre automação de processo e, por fim, uma descrição dos softwares e materiais utilizados na confecção do protótipo.
O capítulo de desenvolvimento contém as informações dos requisitos funcionais e não-funcionais do projeto. Nele, também há uma descrição de todo o processo de con-fecção do protótipo e os problemas encontrados durante este processo, seguido por uma explicação detalhada sobre o fluxo de execução do sistema, onde é possível visualizar todas as funcionalidades do projeto.
E, por fim, o capítulo de análise dos resultados relata, em gráficos, todos os resultados obtidos com o protótipo, tando sendo utilizado dentro do laboratório de prótese como os valores coletados na bancada de testes e, com estes dados, foi realizada uma análise e uma descrição dos valores obtidos.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo serão abordadas as características do gesso odontológico, e como a utilização e dosagem irregular pode comprometer um trabalho de prótese dentaria. Tam-bém serão descritos o produtos existentes no mercado nacional que auxiliam no preparo dos modelos de trabalho. Por último será apresentada a lista dos matérias que serão utilizados na construção do dosador e espatulador de gesso.
2.1 MOLDAGENS
Para que o protético consiga trabalhar na manufatura das peças anatômicas é necessário fazer um modelo em gesso que contém as características da arcada dentária do paciente. Para poder criar este modelo, o protético recebe um molde da arcada dentária feito com um material especial que é adequado para este tipo de trabalho, podendo optar-se por alginato ou material leve pesado (SIEBRA et al., 2017).
Na Figura 4 é ilustrado um modelo da arcada dentária preenchido com gesso especial. Este modelo é utilizado pelo protético em todas as etapas da modelagem das peças anatômicas.
FIGURA 4 – Modelo da arcada dentária em gesso especial FONTE – Elaborado Pelo Autor
Na Figura 5 pode-se visualizar uma moldagem em alginato, um matéria com-posto basicamente de terra de diatomáceas, uma espécie de rocha sedimentar formada pela decomposição de algas diatomáceas. Este material é muito usado na confecção de moldagem anatômica, sendo uma cópia da arcada dentária do paciente utilizada em casos de estudo, aonde o dentista deve realizar uma análise da situação atual da arcada dentária do paciente, para tomar as decisões corretas do trabalho que deve ser desenvolvido poste-riormente. O alginato também é utilizado em antagonista, nome dado a uma moldagem que contém uma cópia da arcada dentária do paciente que não está sendo trabalhada,
FIGURA 5 – Moldagem em alginato FONTE – Elaborado Pelo Autor
para que o protético consiga visualizar a mordida do paciente e verificar em que pontos os dentes inferiores e superiores se tocam (SIEBRA et al., 2017).
A moldagem em alginato não é utilizada para confecção de facetas, que são lami-nas de porcelana usadas em questões estéticas, cimentadas em cima dos dentes existentes, e copings, nome dado a camisa de metal ou de cerâmica que será fixada no preparo da arcada dentária do paciente, devido a sua alta distorção a medida que perde umidade e a falta de precisão aos detalhes (SIEBRA et al., 2017).
A Figura 6 retrata uma moldagem em silicone especial utilizando um material composto de duas partes: um silicone mais denso, com a coloração bege e um silicone mais leve, representado pela cor verde. Existem vários tipos de silicones disponiveis e os mais utilizados são os polissulfetos, polieter e anelásticos, como a godiva e pasta zincoeu-genólica. Estes materiais possuem uma boa estabilidade dimensional, fácil manipulação e inserção na moldeira, sendo moldada toda a área de uma só vez. Nota-se na Figura 6 os detalhes precisos da arcada dentária do paciente até a linha da gengiva. Estes detalhes são muito importantes para a confecção dos implantes dentários (SIEBRA et al., 2017).
FIGURA 6 – Moldagem em silicone FONTE – Ferrarezi (2010)
2.2 CARACTERÍSTICAS DO GESSO
Para gerar um modelo adequado o gesso deve apresentar algumas propriedades, listadas abaixo (CAPEL, 2017):
∙ Compatibilidade com material de moldagem; ∙ Expansão adequada à necessidade;
∙ Reprodução de detalhes; ∙ Estabilidade dimensional;
∙ Resistência mecânica (fratura e riscamento).
O gesso tem como matéria prima um minério encontrado na natureza chamado gipsita (dihidrato), e existem variações no processo de calcinação do gesso, resultando em diferentes características de partículas de hemidrato e, portanto, em diferentes tipos de gesso, conforme a descrição fornecida por Capel (2017).
Gesso tipo I (ou gesso para moldagem): é idêntico ao tipo II exceto pelo acréscimo de amido a sua composição; pouco utilizado na Odontologia atualmente.
Gesso tipo II (comum ou Paris): partículas irregulares e porosas(𝛽- hemi-hidrato). Recomendado para modelos de estudo e modelos para moldei-ras de clareamento, que não requerem alta fidelidade e resistência me-cânica e à abrasão. Não contém anti-expansivos. Recomenda-se também para usos auxiliares.
Gesso tipo III (pedra): graças à pressão maior durante a calcinação (rea-lizada em autoclave), formam-se partículas com formato mais uniforme e menos porosas (𝛼- hemihidrato) que as do gesso comum. Sais extras são acrescentados ao pó de hemidrato para reduzir a expansão de presa, com objetivo de obter um modelo com maior fidelidade dimensional. Usado em modelos sobre os quais são confeccionados trabalhos que requerem maior fidelidade que a obtida com gesso comum, tais como: próteses parciais removíveis, moldeiras individuais e próteses oculares.
Gesso tipo IV (especial, pedra melhorado ou gesso pedra de alta resis-tência e baixa expansão): partículas também do tipo 𝛼- hemi-hidrato, porém são ainda mais compactas, lisas e regulares que as do gesso tipo III, graças à adição de cloreto de cálcio (modificador) durante a cal-cinação em autoclave. Sais extras também são acrescentados ao pó de gesso para reduzir a expansão de presa. É recomendado para modelos de trabalho, que necessitam de um material com propriedades mecânicas superiores para resistir a impactos e desgaste, como os modelos para confecção de próteses parciais fixas.
Gesso tipo V (especial de alta resistência e alta expansão): partículas resultantes de um processo de calcinação idêntico ao do tipo IV (com pressão, e cloreto de cálcio para obter partículas mais lisas, compactas e regulares), porém, sem adição de sais extras ao pó para reduzir a expan-são de presa. Desta forma, a mistura do gesso tipo V com água resulta em um modelo de gipsita com maior expansão que o tipo IV, e com propriedades mecânicas até um pouco mais altas. É um gesso utilizado em casos em que é necessário que o modelo tenha dimensões maiores
que do dente original, no intuito de compensar fenômenos de contração no processo de fundição para obtenção da peça protética indireta. Mais especificamente, o gesso tipo V é utilizado em casos em que a peça pro-tética indireta será constituída de uma liga metálica de alta temperatura de fusão, que contrai muito ao resfriar. Entretanto, esta alta expansão do gesso tipo V (0,3% é um valor muito alto para peças que exigem alta fidelidade, como uma coroa protética) gera um problema prático: a peça fundida não encaixará no modelo, impedindo as provas da peça no modelo nas etapas seguintes à fundição. Por causa deste inconveniente, o gesso tipo V é pouco utilizado nos laboratórios de prótese (CAPEL, 2017).
2.3 MANIPULAÇÃO E DOSAGEM DO GESSO
Ao receber a moldagem do paciente, a primeira etapa de trabalho do laborató-rio será a de preencher a moldagem com gesso especial para gerar uma cópia da arcada dentária do paciente. Este processo é chamado de vazar o modelos. Para realizar este procedimento deve-se, inicialmente, lavar a moldagem para retirar toda a saliva ou ali-mento residual existente. Em seguida, realiza-se a dosagem e a mistura correta do gesso especial (também chamado de gesso tipo IV) com a água destilada. Devem ser utilizadas as especificações de cada fabricante (ZANI et al., 1994).
A Coltene, fabricante do gesso odontológico Herostone, descreve em seu manual de instruções do gesso tipo IV, que devem ser utilizados 22ml de água destilada para cada 100g de gesso, para gerar uma dosagem correta, e ao menos 40 segundos de es-patulação manual constante para chegar a uma mistura homogênea. Após a finalização destes procedimentos, com o auxílio de uma mesa vibratória para evitar a formação de bolha nos preparos da moldagem, deve ser despejado o gesso cobrindo todos os dentes e a gengiva, até que ultrapasse, aproximadamente, 1cm a 2cm de altura acima da moldagem (COLTENE, 2016).
No mercado brasileiro atualmente existe um equipamento que pode ser usado para auxiliar a dosagem correta de gesso, ilustrado na Figura 7, produzido pela empresa Amanngirrbach (2014). Este equipamento só realiza a dosagem do gesso, devendo ser in-formado para o sistema a quantidade de gesso desejada e, em alguns segundos, a dosagem correta é entregue ao usuário. Mas ainda deve ser realizada a medição de água manual-mente, pois este produto só realiza a dosagem do gesso, resolvendo apenas uma parte do problema. Assim, as próximas etapas do trabalho devem ser realizadas manualmente.
Já para a etapa de espatulação do gesso, existe uma grande variedade de equipa-mentos no mercado. Na Figura 8 é apresentado o espatulador a vácuo da empresa Protecni que, além de espatular o gesso, realiza este procedimento a vácuo, garantindo que todas as microbolhas de ar saiam do gesso, gerando um produto mais resistente e, consequen-temente, evitando o surgimento de bolhas no modelo ao vazar a moldagem, o que não é possível garantir com a espatulação manual.
FIGURA 7 – Dosador de gesso FONTE – Amanngirrbach (2014)
FIGURA 8 – Espatulador de gesso FONTE – Protecni (2013) 2.4 PROBLEMAS DE UM MODELO IRREGULAR
Um tipo de trabalho que sofre muita influência sobre a qualidade do modelo é o coping. Na primeira etapa deste trabalho deve ser confeccionado uma espécie de suporte chamado de troquel, ilustrado na Figura 9, cuja função é manter os dentes na posição original do modelo, ao ser feita a separação dos preparos para realizar o trabalho. Existem vários modelos de troquéis no mercado. O representado na Figura 9, um dos modelos mais comuns encontrados hoje no mercado, contém uma série de pinos que servem para
FIGURA 9 – Troquel FONTE – Ivapro (2018)
manter os dentes na posição. Na Figura 9 é possível ver os cortes separando os preparos que receberão o trabalho que, neste caso, são os 2 centrais e os 2 laterais. A segunda etapa, representada na Figura 10, é possível notar que toda a gengiva em volta do preparo foi retirada com o auxilio de uma micro retifica. Nesta etapa, se o modelo foi vazado fora dos padrões especificados pelo fabricante, pode ocorrer um rompimento da linha do preparo, devido a vibração do motor no gesso enfraquecido. Caso isto ocorra, todo o trabalho deve ser descartado e refeito.
FIGURA 10 – Preparo FONTE – Roncalli (2018)
Uma prótese de porcelana necessita de uma base forte que sustente a força de mastigação. Um volume muito grande de porcelana não suporta a forca gerada pelo ma-xilar. Então deve ser construída uma base metálica, que para ser construída, inicialmente deve-se realizar o enceramento, ilustrado na Figura 11a. Nesta etapa é utilizada uma cera de alta qualidade para garantir a fidelidade do trabalho, evitando distorções. Este trabalho é realizado por um escultor, que deve construir a base em cera respeitando as dimensões necessárias para que, ao realizar a fundição, não tenha um volume muito grande de metal, o que pode prejudicar a anatomia da prótese na finalização do trabalho, no momento da
aplicação de porcelana, ou um volume muito baixo de metal que pode trincar ou quebrar a porcelana da prótese ja fixada na boca do paciente. Na Figura 11a o escultor esculpiu um coping com as característica de um dente natural, mas com o seu tamanho reduzido, característica necessária para que o ceramista (profissional responsável por aplicar a por-celana sobre o coping e finalizar o trabalho) consiga produzir uma prótese de qualidade e com a resistência adequada (TEIXEIRA et al., 2010).
(a) Enceramento (b) Enceramento no anel de fundição
(c) Pós Fundição
FIGURA 11 – Etapas do processo de fundição FONTE – Jalson (2018)
Os copings em cera são colocados no anel de fundição, ilustrados na Figura 11b. Após isto, inicia-se o processo de fundição tendo como resultado final a peça ilustrada na Figura 11c. Com o auxílio de uma micro retifica se inicia o processo de adaptação. O coping metálico deve ser colocado no preparo, para que se possa visualizar as áreas que devem ser desgastadas, de modo que haja uma adaptação perfeita do coping com o preparo. Em seguida, deve-se retirar o coping novamente e utilizar a micro retifica para desgastar as áreas que estão impedindo a adaptação. Um dos problemas ocasionados por modelos irregulares ocorre nesta etapa, pois o ato de retirar e colocar o coping pode ocasionar um desgaste no preparo, causando uma falsa adaptação, pois com o modelo enfraquecido o coping metálico começa a desgastar o preparo, e quando o trabalho for enviado para o dentista para a prova do coping na boca do paciente, há uma grande probabilidade de que o coping não entre no preparo real na boca do paciente. Caso as regras de dosagem e manipulação estejam corretas, após a finalização da adaptação no
modelo, o metal vai estar como o representado na Figura 12. Então o coping será enviado para o dentista para que seja feita a prova em boca, garantindo que a adaptação foi realizada corretamente, para que se possa dar continuidade nas etapas de trabalho.
FIGURA 12 – Metal adaptado FONTE – Stillo (2018)
Finalizando a contextualização dos problemas relacionados ao manuseio e preparo do gesso, e as etapas de trabalhos existentes na confecção de um coping metálico, os próximos assuntos abordados da revisão bibliográfica referem-se ao cenário computacional do problema, incluindo os componentes eletrônicos, ferramentas e os estudos necessárias para o desenvolvimento do projeto.
2.5 AUTOMAÇÃO DE PROCESSO
O conceito de automação é constantemente confundido com o de automatização. Entretanto, o conceito de automatização diz respeito a movimentos mecânicos repetitivos e cegos, ou seja, sem nenhuma inteligência ou interpretação de suas ações, como os antigos moinhos e pilões. Já a automação possui um conceito de conjunto de técnicas, que resulta em sistemas que atuam com eficiência recebendo informações sobre os meios em qual atua, e com base nessas informações, o sistema calcula as ações necessárias e as realiza, emulando o comportamento de um operador humano (NATALE, 2018).
Na automação também há uma auto adaptação, onde o sistema se adapta a diferentes condições, de modo que as ações do sistema contenham os melhores resultados possíveis. Pode-se definir que a automação de processo tende a aumentar a eficiência de um determinado processo sendo ele totalmente autônomo ou uma ferramenta que auxilie em uma etapa de produção (NATALE, 2018).
A automação de processos industriais pode ser dividido em três classes: a rígida, flexível, programável.
∙ Automação Fixa é muito utilizada quanto o volume de produção é elevado. Nesta forma, a linha de produção é composta por diversas máquinas chamadas de estações
de trabalho, e nelas é realizada um conjunto de operações e, a medida que são terminadas, as peças são transferidas para as outras estações de forma a construir uma linha de produção fixa, voltada apenas a confecção de um determinado tipo de produto.
∙ Automação flexível é muito utilizada na produção mediana, esta diretamente ligada a flexibilidade, e possibilidade que sejam fabricados vários produtos diferentes ao mesmo tempo.
∙ A automação programável é muito utilizada para um baixo volume de produção, pois nela é possível reprogramar o equipamento a cada novo lote de produtos.
O projeto proposto se encaixa na classe de automação de processo programável, pois a cada dosagem realizada com o protótipo, a quantidade definida de gesso e de água podem alterar.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
A plataforma do Arduíno disponibiliza no mercado uma variedade de microcon-troladores integrados, de diferentes tamanhos e capacidades de processamento, sendo que cada modelo tem características voltadas para um propósito diferente. Esta plataforma é muito utilizada para a protótipação de sistemas e projetos, pois conta com uma grande comunidade e, também, há uma grande quantidade de bibliotecas disponíveis, fatores que auxiliam muito o aprendizado e no desenvolvimento de protótipo, e por sua programa-ção ser baseada na linguagem C/C++, a curva de aprendizado é pequena para escrever software para esta plataforma, para desenvolvedores que conhecem esta linguagem, ou alguma das suas linguagens derivadas (ARDUINO, 2018).
Em seguida são descritos os principais componentes a serem utilizados na cons-trução do protótipo.
3.1 MICROCONTROLADOR
Muito associado á processadores, o microcontrolador é mais do que somente uma unidade central de processamento (CPU, do inglês Central Processing Unit). Ele pos-suí periféricos que o tornam capaz de exercer muitas funções sem depender de muitos outros componentes. Pode-se dizer que um microcontrolador é uma espécie de computa-dor, constituído de um processacomputa-dor, memória de armazenamento de programa, memória para armazenamento de variáveis, além de alguns possuírem periféricos para comunica-ção, conversão analógico/digital entre alguns outros dispositivos, podendo também ser ser programado em linguagem de máquina, ou assembly. Entretanto, atualmente, a maioria dos microcontroladores já contam com compiladores para a linguagem C/C++ (AURE-LIANO, 2017).
Cada tipo de circuito integrado exerce uma função única que é determi-nada pela disposição dos componentes no seu interior e suas interligações no momento em que são fabricados. A ideia do microcontrolador é um pouco diferente. Fabricar num único chip um conjunto de circuitos que em princípio não tenha função alguma. No entanto, ele possui recur-sos que permitem que ele seja programado para realizar algum tipo de função. As funções básicas são as de controle. Usamos microcontrolado-res para controlar circuitos a partir de informações que passamos a ele. Podemos controlar um ventilador, um sistema de abertura de portas, os movimentos de um robô usando um microcontrolador, em cada caso programado para a função correspondente. A ideia não é nova. Tendo surgido diversas famílias de microcontroladores desde seu advento, cada uma com recursos que dependem de seu fabricante e da finalidade a que se destinam. Para uma aplicação em que espaço e consumo não é im-portante, podemos ter um circuito “grande” sem problemas, mas para uma aplicação móvel, num drone, por exemplo, consumo e tamanho são importantes. Um microcontrolador consiste, portanto, num circuito in-tegrado que tem a mesma aparência da maioria dos circuitos inin-tegrados
comuns, eventualmente com mais pinos, dependendo da sua comple-xidade e da sua finalidades. Muitos tipos comuns, conforme mostra a Figura 13 (INSTITUTO NEWTON BRAGA, 2016).
FIGURA 13 – Microcontroladores FONTE – Instituto Newton Braga (2016)
A Figura 14 retrata o diagrama de blocos do microcontrolador ATmega640 2560, nele fica fácil de visualizar a CPU e os seus periféricos, e entender como é possível a utilização de um microcontrolador sem a necessidade de demais circuitos na Figura 14 é possível visualizar todos estes dispositivos, sendo os principais (ATMEL, 2014):
∙ As memórias SRAM e FLASH ligadas diretamente ao CPU utilizada durante o processamento dos dados, onde a SRAM é a memória volátil usada no processamento das informações e a memŕia flash contendo a programação do sistema.
∙ Uma EEPROM utilizada para armazenar as variáveis e documentos usados pelo microcontrolador na operações lógicas.
∙ As portas de entrada e saída das informações, estão descritas nas classes nomeadas com “Porta A-F e USART 0-2”, onde é possível trabalhar com, dados analógicos, digitais comunicação pwm e comunicação serial.
∙ As portas de entrada e saída das informações, estão descritas nas classes nomeadas com “Porta A-F e USART 0-2”, onde é possível trabalhar com, dados analógicos, digitais comunicação pwm e comunicação serial.
FIGURA 14 – Diagrama de Blocos Microcontrolador atMega 2560 FONTE – Adaptado de Atmel (2014)
∙ As classes wathdog temporizador e oscilador, que são responsáveis por resetar o sistema caso ocorra algum erro no sistema responsável por gerar o pulso de clock, representada pela classe circuito oscilador / gerador de clock.
∙ Um Conversor A/D, usado para possibilitar o processamento das leituras analo-gicas pelo processador, pois o mesmo só é capaz de processar dados digitais. As classes T/C são basicamente temporizadores/contadores utilizados para o controle de execução dos processo dentro do microcontrolador.
Este microcontrolador baseado na arquitetura de Harvard, que é a mais utilizada nos microcontroladores atualmente. Ela nasceu de uma da necessidade de aumentar a velocidade de trabalho dos microcontroladores, e tem como particularidade a necessita de duas memórias com barramentos e ligações independentes ao processador, onde uma deve armazenar os programas e a outra os dados como variáveis e documentos, possibilitando
que um processador possa acessar as duas memórias simultaneamente, obtendo um melhor desempenho, pois isto possibilita a busca de uma nova instrução enquanto executa outra. Os processadores baseados nesta arquitetura não tem micro-programação, as instruções são executadas diretamente pelo hardware. Como característica, esta arquitetura tem o conjunto de instruções reduzido, bem como baixo nível de complexidade. outra arquitetura é a de Von Neumann, uma arquitetura mais antiga que é muito utilizada em processadores, ela conta com uma área de memória compartilhada, e contém um conjunto de instruções complexas com uma microprogramação, ou seja, um conjunto de códigos de instruções que são gravados no processador, permitindo-lhe receber as instruções dos programas e executá-las, utilizando as instruções contidas na sua microprogramação. Seria como quebrar estas instruções, já em baixo nível, em diversas instruções mais próximas do hardware (as instruções contidas no microcódigo do processador). Como característica marcante esta arquitetura contém um conjunto grande de instruções, a maioria deles em um elevado grau de complexidade (MURDOCCA; HEURING, 2001).
Para facilitar o uso dos microcontroladores, foram desenvolvidas placas de proto-tipação que possuem recursos que facilitam o uso do microcontrolador, as placas poder vir com dispositivos integrado como regulador de tensão, modulo Wifi, bluetooth, SD conec-tor, entre outros. Geralmente estas placas possuem portas de entradas e saídas digitais e analógicas utilizadas para a comunicação com os sensores e atuadores, A plataforma Arduíno possui vários modelos de placas, como o Arduíno UNO, Arduíno MEGA2550 e o Arduíno Nano. Hoje em dia estas placas estão sendo muito utilizadas dentro do cenário da IoT e na prototipação de produtos, pela sua facilidade de utilização e baixo custo de desenvolvimento (INSTITUTO NEWTON BRAGA, 2016).
O modelo, ilustrado na Figura 15, tem como microcontrolador o ATmega328P di-ferente dos seus modelos anteriores que contavam com um ATmega328. Esta nova versão do microcontrolador foi projetada em resposta a escassez no fornecimento de microcon-troladores do mercado dificultando a produção das placas (ATMEL, 2015).
Configurações do modelo: ∙ Microcontrolador: ATmega328P ∙ Tensão operacional: 5V ∙ Tensão recomendada: 7-12V ∙ Tensão de entrada: 6-20V ∙ Pinos Digitais: 14 ∙ Pinos analogios: 6
∙ DC corrente por I/O pino: 40 mA ∙ Memoria flash: 32 KB
FIGURA 15 – Arduíno UNO FONTE – Elaborado pelo Autor ∙ SRAM: 2 KB
∙ EEPROM: 1 KB
∙ Velocidade do clock: 16 MHz
O Arduíno Mega 2560, ilustrado na Figura 16, é uma placa que contém o micro-controlador melhor do que o UNO. O ATmega2560 permite a construção de programas mais complexos, graças ao seu número de pinos elevado e a alta quantidade de memória. Ele possui 256 KB de memória flash, o que são 8 vezes mais que o Uno. Além disso, ele possui 8 KB de memória SRAM e 4 KB de memória EEPROM (ATMEL, 2014).
FIGURA 16 – Arduíno Mega 2560 FONTE – Elaborado pelo Autor Configurações do modelo:
∙ Tensão operacional: 5V ∙ Tensão recomendada: 7-12V ∙ Tensão de entrada: 6-20V ∙ Pinos Digitais: 54 ∙ Pinos analogios: 16 ∙ Memoria flash: 256KB ∙ SRAM: 8KB ∙ EEPROM: 4KB ∙ Velocidade do clock: 16 MHz 3.2 CÉLULAS DE CARGA
Na Figura 17 está representada uma célula de carga que, segundo Schmidt (2018), são utilizadas para medir o peso (massa) de um objeto. Estão presentes no cotidiano em balanças, como as existentes nos supermercados.
Uma célula de carga consiste em um elemento de medição, geralmente feito de aço ou alumínio. Isso significa que é muito resistente, mas também possui uma elasticidade, mesmo que mínima. O aço ou alumínio é levemente deformado sob o efeito da carga, mas então volta à sua posição inicial, com uma resposta elástica a cada carga. Estas mudanças extremamente pequenas (micro deformações) podem ser medidas pelos Strain Gages, nome dado aos sensores que captam uma correlação entre a variação da resistência elétrica e a deformação do bloco de alumino ou de aço, retornando um dado analógico que representa a carga a qual a célula está submetida, e pode ser interpretada como o peso do material depositado sobre o bloco de metal (SCHMIDT, 2018).
FIGURA 17 – Célula de Carga PW6BD1 FONTE – Elaborado pelo Autor
A variação que ocorre, tanto de resistência como de deformação, é muito sutil, então é necessário usar circuitos adicionais para amplificar os efeitos dessas variações de
resistência. A configuração utilizada em células de carga de precisão é denominada ponte de Wheatstone. Uma ponte Wheatstone, como a mostrada na Figura 18, é formada por quatro braços resistivos (Strain Gages) e uma tensão de excitação, 𝑉𝐸𝑋, aplicada na ponte.
o que significa que todos os braços resistivos do circuito são ativos. Essa configuração chamada de ponte completa. O uso de uma configuração de ponte completa aumenta muito a sensibilidade do circuito às variações de deformação, oferecendo medições mais exatas e estes dados são gerados na saída 𝑉0 do circuito An (2002).
FIGURA 18 – Datasheet célula de carga FONTE – An (2002)
3.3 CONVERSOR ANALÓGICO-DIGITAL (AD)
Um conversor AD converte o valor que representa um sinal analógico, contínuo em um sinal amostrado, discreto, ou seja, uma amostra com um valor em ponto flutu-ante passa a ser representada por um valor inteiro, e o que determina a resolução da informação é o tamanho do intervalo de dados que o conversor possui. Por exemplo, em um conversor de 8 bits o sinal de entrada é amostrado com os valores entre 0 a 255 (SEMICONDUCTOR, 2016).
O conversor ilustrado na Figura 19 realiza a amostragem através de um fatiamento dos valores existentes entre o maior e o menor valor do sinal analógico, sendo que cada fatia é representada por um valor inteiro, assim, todos os sinais recebidos que permanecem nos limites de uma mesma fatia, ou faixa de tensão, são convertidos para o mesmo valor inteiro, sendo este o resultado do processo de amostragem (IDOETA, 2012).
Analisando a Figura 20 é possível visualizar como é realizada esta amostragem das leituras. A onda continua ilustra o sinal analógico e as barras representam o sinal digital, resultado da amostragem, e quanto maior o grau de fidelidade do conversor, maior será o número de fatias ou valores possíveis no sinal de saída. O conversor ilustrado na Figura 19 trabalha com 24 bits, que possibilita gerar amostras com valores entre 0 a 16.777.215, resultando um alto grau de fidelidades das informações (AVIA, 2008).
FIGURA 19 – Conversor AD FONTE – Elaborado pelo Autor
FIGURA 20 – Amostragem FONTE – Idoeta (2012) 3.4 RELÉS
Relé é o nome dado a um interruptor eletromecânico, como o que pode ser vi-sualizado na Figura 21. A movimentação física deste interruptor é realizada devido ao campo magnético gerado por um eletroímã e seu acionamento ocorre quando a corrente elétrica percorre as espirais da bobina do eletroímã, criando assim um campo magnético que aciona o interruptor. Quando o suprimento de energia é cortado, o campo magnético é desfeito, desligando o interruptor.
Algumas versões de relés vêm com opto acopladores, que são dispositivos que operam por meio de um feixe de luz, para transmitir sinais de um circuito para outro, sem a ligação elétrica. Assim, é possível isolar os circuitos de controle que acionam os reles, do sistema de interruptores. Desta forma, qualquer interferência ou curto que ocorra ao acionar os relés, não será propagada para o sistema de controle (METALTEX, 2018).
FIGURA 21 – Relé SRD-05VDC-SL-C FONTE – Elaborado pelo Autor 3.5 BOMBAS
Neste tópico serão apresentadas dois tipos de bombas, uma utilizada para o bom-beamento de água, chamada de bomba autoaspirante, e a outras será uma bamba de vácuo, usada para retirar os gases de um recipiente.
A bomba autoaspirante, como o próprio nome diz, é capaz de aspirar a água por conta própria. É o um tipo de bomba desenvolvida para transferir líquidos, sem deixar que ela retorne. Seu funcionamento envolve, primeiramente, a retirada gradual do ar da tubulação, para então dar início ao bombeamento. Ela não precisa de uma válvula de pé (também conhecida como válvula de pé ou de retorno). A bomba autoaspirante tem um compartimento que retém a água e, portanto, o esforço do equipamento para o bombeamento é menor (SALAMEH; DAGHER, 1990).
Um exemplo de bomba autoaspirante de pequeno porte, com tensão de funciona-mento de 12V, pode ser visualizado na Figura 22.
FIGURA 22 – Bomba de água FONTE – Elaborado pelo Autor
Uma bomba a vácuo, é um aparelho destinado a retirar o gás de um determinado volume, de forma que a pressão seja baixada a valores adequados ao propósito desejado. A Figura 23 ilustra a bomba que será utilizada neste projeto (SARAIVA, 2017).
FIGURA 23 – Bomba a vácuo FONTE – Elaborado pelo Autor 3.6 SERVO MOTOR
O servo motor ilustrado na Figura 24 é composto por um motor de corrente contínua, um detector de posição, um circuito de controle e uma série de engrenagens. Este tipo de motor tem a capacidade de receber um sinal de controle analógico e verificar a posição atual e, então, ir para a posição desejada. Este motor tem uma liberdade de rotação em seu eixo de 180 graus e, em alguns modelos específicos, chegam a 360, diferente da maioria dos motores encontrados no mercado que giram indefinidamente (SILVEIRA, 2018).
3.7 LIQUID CRYSTAL DISPLAY (LCD)
O display LCD monocromático, que é o utilizado em calculadoras e relógios, possuem cristais com apenas dois estados: transparente (permite a passagem de luz) e opaco (apagado), sendo bem mais baratos de produzir. Um modelo muito utilizado em protótipos é o Display LCD 16x2, ilustrado na Figura 25. Este modelo contém 16 pinos de comunicação, dos quais 8 destes pinos são destinados ao envido das informações, que devem ser escritas no display, utilizando a comunicação MPU aonde o 3 primeiros pinos são utilizados para controle de escrita e leituras e os restantes são utilizados para o fluxo das informações. Em seguida, os outros 4 pinos são utilizados para a alimentação, 2 para as luzes de fundo e 2 para o circuito interno do display, e os últimos 4 pinos são utilizados para o controle do tráfico das informações, realizado pelo controlador conectado a ele (XIAMEN, 2008).
FIGURA 24 – Servo motor 9G SG90 TowerPro FONTE – Pro (2013)
FIGURA 25 – Liquid crystal display ADM 1602K-NSW-FBS FONTE – Xiamen (2008)
3.8 TECLADO
O teclado matricial funciona com o método de varredura multiplexada, ou seja, o controlador sequencia os canais para ver qual tecla foi pressionada, as conexões com o controlador são realizadas em linhas e em colunas, como ilustrado na Figura 26. O sistema de multiplexação é um sistema básico que funciona da seguinte forma: o controlador define que todas as colunas fiquem como saída, e as linhas como entrada, assim aguardando o pressionamento de algum botão, se algum botão for pressionado, instantaneamente o micro controlador troca as entradas pelas saídas e novamente verifica qual botão foi pressionado, assim ao juntar as duas informações teremos a localização do botão apertado pelas coordenadas das linhas pelas colunas (PARALLAX, 2011).
FIGURA 26 – Conexões teclado matricial FONTE – Parallax (2011)
3.9 COPO ESPATULADOR
Na Figura 27 é representado um copo especial de espatulação utilizado no es-patulador a vácuo fabricado pela empresa Protécni, apresentado na Figura 8. Este copo conta com uma espátula giratória acoplada em sua tampa, com um mecanismos de engate rápido feito para que um motor consiga rotacionar a espátula durante o funcionamento. O copo conta com uma borracha de vedação para a tampa e um pequeno furo por onde sera acoplada a bomba a vácuo retirando o ar de dentro da capsula vedada durante o processo de espatulação (PROTECNI, 2013).
3.10 REGULADOR DE TENSÃO
O tipo de regulador de tensão utilizado no projeto é chamado de Low Dropout. Este regulador tem a função de diminuir a tensão gerada pela fonte de alimentação, para possibilitar o uso de uma única fonte em projetos que contêm circuitos que trabalham com tensões. Um regulador de tensão é um dispositivo formado por semicondutores, como diodos e circuitos integrados.
O regulador de tensão tem a capacidade de manter a tensão de saída constante, mesmo havendo mudanças na tensão de entrada. Hoje em dia, os regulador de tensão são fabricados com circuitos integrados (CI), que por sua vez são mais precisos e ocupam menor espaço por serem mais compactos.
Existem diversos modelos no mercado no projeto será utilizado o LM2596 ilus-trado Figura 28, ele tem uma Tensão de entrada de 3,2 a 40V, e gera uma saída de 1,5
FIGURA 27 – Copo especial para o espatulador FONTE – Protecni (2013)
a 35V que é ajustável através de um potenciômetro, mas para que este modelo funcione corretamente a Tensão de entrada deve ser 1,5V maior que a de saída (PELICIA et al., 2002).
FIGURA 28 – Regulador de Tensão LM2596 FONTE – (ESTEK, 2002)
4 DESENVOLVIMENTO
Este capítulo tem como objetivo descrever o funcionamento do hardware e soft-ware do projeto, indicando como os componentes eletrônicos descritos no capítulo anterior foram utilizados na construção do protótipo. Também são fornecidos todos os requisitos funcionais e não funcionais do sistema, para possibilitar a implementação de um protótipo para atender as necessidades de laboratórios de próteses dentárias.
4.1 REQUISITOS FUNCIONAIS
O sistema de dosagem de gesso e bombeamento de água devem ser capazes de des-pejar os materiais dentro de um recipiente, que também deverá ser utilizado em conjunto com uma balança de precisão, de forma a se determinar as quantidades de produtos sendo dosados para a obtenção da massa de gesso. Deve ser possível para o usuário informar as quantidades de produtos (água e gesso), ao iniciar a operação do protótipo.
Devem ser informadas ao usuário as etapas do processo de dosagem em tempo real, através de um display, mostrando informações como quantidade de gesso e água despejada no recipiente de dosagem durante o processamento. O sistema de espatulação deve garantir que não ocorra a formação de bolhas de ar na massa de gesso e realizar uma mistura homogêneas dos materiais.
O usuário também deve ser capaz de informar o tempo para a execução da etapa de espatulação.
Para se tornar uma ferramenta eficiente no laboratório, o sistema deve ser capaz de realizar a dosagem correta dos componentes automaticamente, sem a necessidade de intervenção de um usuário e, também, deve disponibilizar pelo menos 3 formas diferentes de inserção dos dados de dosagem, sendo elas:
∙ P1: No primeiro modo o usuário deve informar a quantidade de água, em mililitro (ml), e gesso, em gramas (g), desejadas, devendo ser possível conferir os valores informados.
∙ P2: O segundo método de interação corresponde á dosagem com quantidade de água predefinido, no qual o usuário informa a quantidade de gesso desejada e o sistema calcula a proporção de água que com base nas configurações preestabelecidas. ∙ P3: Por fim corresponde à utilização das programações predefinida, estabelecidos
pelo usuário nas opções de configuração.
Nas configurações do protótipo devem estar listadas 3 opções; a primeira seria a possibilidade de adicionar ou excluir os programas utilizados terceiro modos de dosagem
(P3), também deve ser possível alterar o valor da quantidade de água predefinido, utilizada no segundo modo de inserção de dados(P2), e a última opção é realizar a calibragem da balança para garantir a dosagem correta de gesso e água.
4.2 REQUISITOS NÃO FUNCIONAIS
Em entrevista com o protético responsável no laboratório EL Amaral, definiu-se que os parâmetros de qualidade aceitáveis para a operação do protótipo são:
∙ Um erro de 3% na dosagem de gesso e 7,5% na dosagem de água. Estes valores correspondem a 3 g de gesso e 1,5Ml de água para uma massa a ser preparada com 100G de gesso e 20Ml de água.
∙ Deve ser capaz de realizar uma dosagem completa no período de 30 segundos para os valores de 100G de gesso e 20Mls de água.
∙ A balança deve se manter íntegra por um período de pelo menos 6 mês, antes de necessitar de uma calibragem.
∙ o modulo espatulador deve ser capaz de realizar uma mistura homogênea e sem a formação de bolhas em um período de operação de 60 segundos.
4.3 CONSTRUÇÃO DO HARDWARE PRIMEIRA VERSÃO
A construção do protótipo foi iniciada pela balança de precisão. Ela é responsá-vel por indicar quando as quantidades de gesso e água desejadas forem alcançadas. Apos isso, as leituras efetuadas pela balança são enviadas para o Arduíno Mega 2560, que é o responsável por comandar o sistema de dosagem de gesso e bombeamento de água. De acordo com o apresentado na descrição técnica do Arduíno Mega, Seção 3.1, seu conver-sor AD trabalha com 10 bits e as variações no sinal da célula de carga são tão sutis, que não são captadas com exatidão pelo Arduíno, portanto, é necessária a utilização de um conversor AD com maior resolução, como o módulo HX711, descrito na Seção 3.3. Este conversor envia os dados recolhidos pela célula de carga para o Arduíno via serial, codificados em 24 bits. Para utilizar os dados de leitura da célula de carga, disponibili-zadas pelo conversor AD HX711 foi utilizada a biblioteca criada por Bogde (2015), que disponibiliza um conjunto de funções predefinidos para configuração e manipulação dos dados corretamente.
O módulo de dosagem do projeto é composto por 2 reservatórios, um para arma-zenar o gesso e outro para armaarma-zenar a água, a próxima etapa corresponde a construção do reservatório e do mecanismo responsável por dosar o gesso quando necessário. O re-servatório é composto por um cilindro com base cônica, e na base do cone contém um
pequeno corte que será utilizado para despejar o gesso contido no reservatório sobre a ba-lança. Um mecanismo construído com um servo motor e uma tampa são responsáveis por abrir e fechar o compartimento. A Figura 29 ilustra uma espátula modelada especialmente para este projeto que é ligada a um motor DC e é responsável por forçar a passagem do gesso pelo orifício do cilindro quando acionado, gerando uma vazão controlada de gesso para dentro do copo de dosagem. Ela foi modelada pelo aluno Leonardo de Jesus Quei-roz, do curso de Ciência da Computação da Universidade Estadual do Oeste do Paraná (Unioeste), que auxiliou na construção das peças utilizadas no projeto.
FIGURA 29 – Espatula FONTE – Imagem elaborada pelo Autor
Já o sistema hidráulico conta com uma bomba de água, descrita na Seção 3.5, ligada a um reservatório que, ao ser acionada, transporta a água por uma série de tubu-lações, até o copo de dosagem posicionado sobre a balança.
O Arduíno usa as leituras da balança para saber quando deve finalizar o sistema de dosagem de gesso e, assim, dar início ao sistema de bombeamento de água, que também utiliza as leituras da balança para saber quando deve finalizar o processo de dosagem de água. O usuário seta as quantidades desejadas de gesso e água através do teclado numérico, comentado na Seção 3.8, e as respostas do sistema são apresentadas para o usuário em um LCD comentado na Seção 3.7.
Para a alimentação dos motores é necessário a utilização de um conjunto de relés, uma vez que os circuitos eletrônicos do microcontrolador não suportam a tensão e corrente necessárias para o seu acionamento. Todo o sistema é alimentado por uma fonte ATX de 400W, utilizando a tensão de 12V. Um diagrama de simulação do projeto pode ser visualizado na Figura 30 utilizado para testar as conexões e simular as funcionalidades do protótipo antes de sua construção, já na Figura 31 é possível visualizar o esquema elétrico do protótipo.
Finalizado o processo de dosagem, um usuário deve retirar o copo com os ma-térias e colocá-los no módulo de espatulação, inserido no teclado numérico o tempo de
FIGURA 30 – Diagrama de simulação do projeto FONTE – Elaborado pelo autor
funcionamento do espatulador e, então, o motor de espatulação e a bomba de vácuo são acionados ao mesmo tempo e, enquanto a mistura é realizada, as informações de tempo de funcionamento podem ser visualizadas através do display.
O módulo de espatulação será comandado pelo mesmo Arduíno Mega 2560 uti-lizado no dosador, e utiliza os periféricos de teclado e display para se comunicar com o usuário, o espatulador deve ser construído utilizando um motor com caixa de redução que deve girar a espátula de um copo especial, construído para espatuladores de gesso, conforme apresentado na Seção 3.9, de modo que o motor consiga realizar a mistura do gesso e água. Em seguida, deve ser construída a tubulação que liga a bomba de vácuo ao copo de espatulação, finalizando o protótipo.
4.4 PROBLEMAS ENCONTRADOS APÓS OS TESTES
Após alguns testes realizados com o protótipo de dosagem, foram constatadas a necessidade de realizar algumas mudanças no projeto. Neste tópico serão apresentadas estas mudanças e, também, quais foram as configurações dos novos dispositivos incluídos no projeto.
4.4.1 Sistema Hidráulico
O problema ocorreu devido a força excessiva gerada pela bomba de água do sistema hidráulico, pois quando ligada a 12V sua tensão nominal de trabalho. A força com que a bomba empurrava a água era excessiva, de modo que prejudicava a leitura da balança, pois o jato de água chegava com muita força ao copo de dosagem e, devido
FIGURA 31 – Esquemático Elétrico do Protótipo FONTE – Elaborado pelo autor
a sensibilidade do sensor utilizado na balança, a pressão exercida pela água provocava leituras com valores que correspondiam a um volume maior de água do que realmente chegava ao copo de dosagem, causando a finalização prematura do processo de dosagem
Para solucionar o problema foi adicionado o regulador de tensão na alimentação da bomba de água, que recebia uma alimentação de 12V, e ao adicionar o regulador, possibilita a regulagem da tensão de entrada da bomba de água, então após uma bateria de testes, foi constatado que para adquirir a melhor relação entre velocidade e precisão de dosagem, a tensão de saída do regulador de tensão deve ser de 1,6 V utilizando assim apenas 14% da forca total da bomba de água, que tem como tensão nominal 12V.
4.4.2 Alimentação do sistema
Na primeira versão do projeto também foram constatados problemas devido aos ruídos elétricos e a queda de tensão da fonte de alimentação gerada pelo acionamento dos motores, interferindo nas leituras da célula de carga, resultando em valores errôneos. O sistema de dosagem de gesso foi o que mais afetado com as alterações nas leituras gerando erros de até 20 gramas de diferença em relação a água que continha 4 mls. Isto ocorria pois quando acionado o sistema de dosagem o motor utilizado para despejar o gesso sobre a balança chegava a consumir 3 amperes de corrente, que por utilizar uma grande parte da potência disponível da fonte de alimentação, oscilava a tensão de saída, e também gerava uma grande quantidade de ruído no sistema de alimentação do módulo de controle.
O problema foi identificado ao analisar a tensão de entrada na alimentação do circuito de controle, implementado com o Arduíno, pois ele é responsável por alimentar o conversor AD e a célula de carga, e por receber uma alimentação instável da fonte. Essa alimentação também era retransmitida para a balança, resultando em leituras irregulares realizadas pelos strain gages para solucionar esta situação foi necessário realizar um isola-mento da alimentação dos dispositivos, de uma forma que os ruídos gerados pelos motores não interferissem no funcionamento do resto do projeto. Ao adicionar um regulador de tensão na alimentação do Arduíno, foi possível minimizar as variações de tensão que ocor-riam, pois além de entregar uma tensão controlada, ele ajuda a reduzir os ruídos elétricos existentes na alimentação. Também passou-se a utilizar relés com opto acopladores, para que as interferência geradas pelo motores não fossem transmitidas para o Arduíno e, após realizar esta alterações, os valores de dosagem retornados nos testes foram satisfatórios e dentro das margens de erro definidas nos requisitos do projeto.
4.5 CONSTRUÇÃO DO HARDWARE SEGUNDA VERSÃO
Conforme os problemas apresentados na Seção 4.4 foi necessitário a adição de alguns componentes no projeto, como, um regulador de tensão para limitar a força da bomba, diminuído assim o fluxo de água e melhorando o controle da quantidade de líquido depositado no copo de dosagem.
O segundo problema observado foi nos resultados das leituras da balança, que apresentou valores errados e com variações abruptas durante os processos de dosagem, tanto de gesso quanto de água, assim, prejudicando a eficiência do projeto. Para resolver este problema foram adicionados dois novos componente ao projeto. Uma nova fonte de alimentação ATX, com uma uma capacidade de 400W, contando com 3 tensões de saída: 3,3V, 5V, 12V; Também foi adicionado um regulador de tensão na alimentação do Arduino, retirando assim as variações de tensão resultantes da operação dos motores durante o processo de dosagem ou de espatulação.
4.6 FLUXO DE EXECUÇÃO DO PROTÓTIPO
Ao ligar o sistema o usuário deve posicionar o copo dosador sobre a balança. A primeira ação realizada no sistema deve ser escolher entre alterar configurações do software ou escolher o modo de dosagem desejado. Se for escolhido o modo de dosagem, o usuário deve escolher entre 3 modos de inserção de dados, descritos na Seção 4.1.
Expandindo os 3 modos de inserção de dados do protótipo ilustrados na Figura 32, tem-se como resultado o fluxo da Figura 33, caso seja escolhido o primeiro modo de inserção dos dados (P1), o usuário deve inserir a quantidade de gesso desejado e logo em seguida informar a quantidade de água, assim, finalizando a o fluxo de requisição dos dados e inicia-se a rotina de dosagem. Caso seja utilizado o segundo modo de inserção dos
FIGURA 32 – Fluxo de atividades para inserção de dados FONTE – Elaborado pelo autor
dados (P2), o usuário deve informar apenas a quantidade de gesso desejada e o protótipo utiliza este valor para calcular a quantidade de água que deve ser dispensada no copo, e em seguida executa a rotina de dosagem. E por ultimo, no terceiro modo de inserção dos dados (P3), o usuário deve informar o número do programa desejado e o sistema busca em sua memória interna os valores pré configurados e inicia a rotina de dosagem.
FIGURA 33 – Fluxo de atividades dos modos de dosagens FONTE – Elaborado pelo autor
Após a quantidade de gesso e água serem definidas, independente do modo de in-serção dos dados escolhido, a próxima operação do sistema é a dosagem dos componentes. Expandindo a ação "Realizar dosagem"apresentado na Figura 32, obtêm-se o diagrama ilustrado na Figura 34, neste é possível visualizar a rotina de dosagem dos componentes. Na primeira etapa de dosagem o sistema zera o valor de leitura da balança para que o peso do copo posicionando sobre ela não interfira na dosagem. Em seguida é iniciada
FIGURA 34 – Fluxo de atividades dosagem FONTE – Elaborado pelo autor
a dosagem de gesso, então, o motor do reservatório de gesso é acionado, e se mantem em funcionamento até que os valores registrados pela balancá sejam iguais ao setados pelo usuário no fluxo anterior, assim, finalizando o sistema de dosagem de gesso.
A dosagem de água também será realizada pela balança, sendo que a primeira atividade é zerar o valor de leitura da balança e acionar o bombeamento de água. O sistema de leitura da balança e comparação com a dosagem informada pelo usuário é o mesmo empregado na dosagem de gesso. Assim, no final do processo de dosagem, as quantidades de gesso e água dispensadas dentro do copo são informadas para o usuário através do display e, ao retirar o copo da balança, automaticamente é iniciado o sistema de espatulação, sendo apresentado no display uma nova frase, requisitando a inserção de tempo de processamento desejado, sendo este o tempo em que o espatulador deve manter acionado a bomba de vácuo e o motor de espatulação, e por fim entregar a mistura pronta ao usuário. O fluxo de atividades do sistema de espatulação pode ser visualizado na Figura 35.
Nas Configurações do sistema é possível realizar 3 operações, a configuração de dosagem de água pré definida utilizado no segundo módulo de dosagem (P2), a calibragem da balança e a configuração dos programas utilizados no terceiro modo de dosagem (P3).
FIGURA 35 – Fluxo de Atividades do espatulador FONTE – Elaborado pelo autor
para alterar o valor de água pré definido o usuário deve informar a quantidade desejada de água para cada 100 gramas de gesso, apos isto o sistema guarda esta informação em memória e volta para o menu inicial do sistema. Caso seja desejado realizar a calibragem da balança, o primeiro passo é zerar o valor de leitura atual, e, em seguida deve ser posicionado sobre a balança um peso com massa de 100g exatas e, assim, o protótipo realiza a calibragem e retorna ao usuário uma mensagem de finalização do processo. A última opção disponível nas configurações é a possibilidade de apagar programas pré-definidos, utilizados pelo terceiro modo de dosagem(P3), para realizar este procedimento deve ser inserido o número de identificação do programa, e assim, o sistema deleta este programa e retorna para o menu inicial do protótipo. Este fluxo de execução é apresentado na Figura 36.
FIGURA 36 – Fluxo de atividades configurações dosador FONTE – Elaborado pelo autor
5 ANÁLISE DOS RESULTADOS
Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos durante os testes do pro-tótipo, analisando-se os valores retornados pela balança no momento da dosagem de gesso e de água. Estas leituras foram comparadas com valores obtidos de uma balança de pre-cisão convencional para o gesso e com a utilização de um copo de dosagem para a água. Assim foi realizada uma análise a fim de verificar se o protótipo cumpre com as especifi-cações estabelecidas na Seção 4.2
5.1 RESULTADOS OBTIDOS COM O PRIMEIRA VERSÃO DO DOSADOR DE GESSO
Os resultados obtidos com a primeira versão do protótipo foram irregulares de-vido aos problemas relacionados aos ruídos eléctricos citados na Seção 4.4. No Gráfico 1 são apresentadas 20 dosagens de gesso realizadas pelo protótipo, antes das alterações do hardware. As barras azuis representam as quantidades de gesso informada ao sistema pelo usuário. Já as barras laranjas representam os valores retornados pelo sistema de dosagem, informando qual foi a quantidade de gesso registrado pela célula de carga e, por último, as barras cinza representam pesagem realizada em uma balança de precisão convencional, usada para validar as dosagens realizadas pelo protótipo. No caso das dosagem de água, as barras cinza representam os dados coletados através de um copo de dosagem.
GRÁFICO 1 – Resultados registrados com a dosagem de gesso V1 FONTE – Elaborado pelo autor
estavam registrando uma média de 5,1g a menos do que deveria, pois ao comparar as leituras com a balança de precisão é possível notar uma grande variação na leitura dos dados.
Em seguida, foram realizados os testes com o sistema de dosagem de água. O Gráfico 2, apresenta apenas 3 dosagens, pois ao ser acionada a bomba de água, o jato de água em alguns casos, chegou a espirrar para fora do copo de dosagem e, também, a pressão do jato de água sobre a balança ocasionava falsas leituras no sistema de dosagem. Isso fez com que os testes fossem interrompidos, pois este problema deveria ser resolvido antes de continuar com o desenvolvimento do projeto.
GRÁFICO 2 – Primeiros Resultados Dosagem de Água FONTE – Resultados registrados com a dosagem de água V1
5.2 RESULTADOS OBTIDOS COM O SEGUNDA VERSÃO DO DOSADOR DE GESSO Após a adição do regulador de tensão e a utilização dos opto acopladores, as dosagens de gesso realizadas pela balança retornam resultados dentro dos padrões esta-belecidos nos requisitos do sistema, com uma margem de erro de aproximadamente 1,17g ou 1,17% para as leituras. No Gráfico 3 é possível visualizar os resultados de 20 dosagens. É possível notar uma grande diferença entre as novas leituras e as ilustrada na Gráfico 1 que continha um margem de erro de, aproximadamente, 5,1% e agora contém 1,17%.
Em seguida, foram feitos alguns testes alterando a alimentação da bomba de água do sistema hidráulico para diminuir a sua força e melhorar e eficiência da balança. Inicial-mente a tensão de entrada foi ajustada em 6V e os resultados podem ser visualizados no Gráfico 4, os resultados nesta configuração também não foram considerados satisfatórios pois ainda constatou-se uma diferença media de 5ml ou aproximadamente 25% de erro entre o que a balança registrava e o real valor de dosagem desejada, ainda muito longe do esperado.
Então foi realizado outro ajuste na alimentação e desta vez, o regulador de tensão foi ajustada para 2,5V, foram realizados 3 testes de leitura ilustrados no Gráfico 5, onde é possível reparar uma melhora nas leitura, variando agora 2ml, ou aproximadamente 10%
