ESTUDO DA ESTAMPAGEM INCREMENTAL COM CHAPAS DE GABINETES DE COMPUTADOR

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SUL-RIO-GRANDENSE

CAMPUS SAPUCAIA DO SUL

CURSO SUPERIOR EM TECNOLOGIA DE FABRICAÇÃO MECÂNICA

ESTUDO DA ESTAMPAGEM INCREMENTAL COM CHAPAS DE GABINETES DE COMPUTADOR

GLÉDISON ATAÍDES DIAS DE FRAGA

Orientador: Prof. ME.Vinicius Martins

Sapucaia do Sul 2014

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ESTUDO DA ESTAMPAGEM INCREMENTAL COM CHAPAS DE GABINETES DE COMPUTADOR

Orientador: Prof. ME.Vinicius Martins

Sapucaia do Sul 2014

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso Superior em Tecnologia de Fabricação Mecânica do Instituto Federal Sul-Rio-Grandense, como requisito parcial para a obtenção do título de Tecnólogo.

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ESTUDO DA ESTAMPAGEM INCREMENTAL COM CHAPAS DE GABINETES DE COMPUTADOR

Aprovado em 16 de dezembro de 2014.

BANCA EXAMINADORA

_________________________________________

Prof. Orientador: ME. Vinicius Martins

_________________________________________

Prof. Co-orientador: M.Sc. Uilian Boff

_________________________________________

Prof. Avaliador: Esp. Carlos Alexandre Wurzel

_________________________________________

Prof. da Disciplina Projeto de Graduação:

M.Sc. David Garcia Neto

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso Superior em Tecnologia de Fabricação Mecânica do Instituto Federal Sul-Rio-Grandsense, como requisito parcial para a obtenção do título de Tecnólogo.

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Dedico este trabalho à minha esposa, Devo a ela tudo o que sou.

“Paz e amor É o que eu quero pra nós E que nada nesse mundo cale a nossa voz Céu e mar e alguém para amar E o arrepio toda vez que a gente se encontrar Nunca vai passar, Mesmo quando o sol chegar”

(Jorge e Mateus – Paz e Amor)

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AGRADECIMENTOS

A todas as pessoas que contribuíram de forma direta e indiretamente para a realização deste trabalho, meu reconhecimento.

Ao meu orientador professor ME. Vinicius Martins pela confiança, orientação, experiência, motivação e dedicação na condução deste trabalho.

Ao meu co-orientador professor MSc. Uilian Boff, pela colaboração prestada na realização deste trabalho.

Ao professor Esp. Carlos Alexandre Wurzel pelo seu estímulo, dedicação e experiência na elaboração deste.

Aos professores do SENAI Lindolfo Collor, Rafael Oliveira e Samuel Mendes, pelo seu empenho e dedicação na realização deste trabalho.

Ao meu grande amor Gabriela Hoch de Fraga pela compreensão e apoio nos momentos mais necessitados e turbulentos da vida, e ainda pelo amor incondicional e verdadeiro.

Aos colegas Cristiano Linck e Felipe Oliveira, pelas palavras de apoio e motivação.

Ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Sul-Rio-Grandense – Campus Sapucaia do Sul (IFSul), ao SENAI Lindolfo Collor, pelo suporte e a infraestrutura que ajudaram na conclusão deste trabalho.

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RESUMO

A estampagem incremental é um moderno e inovador processo tecnológico na área de conformação de chapas. Surge como uma alternativa na indústria no que tange à fabricação de pequenos lotes ou modelos customizados de produtos derivados de chapas metálicas, oferecendo vantagens significativas relacionadas à economia e flexibilidade de produção e ao meio ambiente, razão pela qual tem sido objeto de estudo. O presente trabalho tem como objetivo estudar a possibilidade da reutilização de chapas de gabinetes de computador aço (ABNT) SAE 1008, a partir do processo de estampagem incremental. Para este estudo, é necessário um centro de usinagem CNC, ferramentas da usinagem, e ainda um dispositivo de estampagem incremental, chamada de matriz. Foram realizados testes com vários avanços diferentes na máquina centro de usinagem CNC, tendo em vista otimizar o processo de estampagem incremental, analisar o comportamento, obter resultados e suas conclusões. Também foram realizados ensaios do tipo rugosidade e deformação com intuito de verificar sua melhor condição, impactando nos resultados dos experimentos. A partir dos testes realizados, demonstra-se a real possibilidade de reutilização de chapas de gabinete de computador para estampagem incremental, e que apesar do processo demandar tempo, atende às exigências da área de prototipagem.

Palavras-chaves: Estampagem Incremental; estampagem em aço (ABNT) SAE 1008.

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ABSTRACT

The incremental stamping is a modern and innovative technological process in the sheet forming area. Is an alternative in the industry regarding the manufacture of small batches or customized models of sheet metal derivatives, offering significant advantages related to the economy and flexibility of production and the environment, reason why it has been studied. This paper aims to study the possibility of reuse of steel plates computer engineering SAE 1008 from the incremental stamping process.

For this study, a center of CNC machining is necessary, machining tools, plus an incremental stamping device, called the matrix. Tests were performed with several different machine advances in CNC machining center, in order to optimize the process of incremental printing, analyze the behavior obtain results and conclusions.

Were also conducted tests of the type roughness and deformation in order to verify its best condition, impacting the results of experiments. From the tests, shows up the real possibility of reuse of computer cabinet plates for incremental stamping, and that although the process time consuming, meets the requirements of prototyping area.

Keywords: Incremental Printing; SAE 1008 steel stamping.

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Parâmetros do Desbaste da Cavidade ... 27

Tabela 2: Parâmetros do Acabamento da Cavidade ... 28

Tabela 3: Parâmetros do Rebaixo do Encaixe por Interferência ... 28

Tabela 4: Parâmetros do Teste Nº01 ... 36

Tabela 10: Medição da Rugosidade ... 44

Tabela 11: Medição da espessura da chapa ... 45

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Modalidades da Estampagem Incremental ... 17

Figura 2: Princípio do Processo de Estampagem Incremental ... 18

Figura 3: Rugosidade Média (Ra) ... 20

Figura 4: Rugosidade Média (Rz) ... 20

Figura 5: Modelo proposto para a cavidade do dispositivo ... 23

Figura 6: Matriz Modelada ... 24

Figura 7: Máquina operatriz fresadora ferramenteira ... 25

Figura 8: Centro de Usinagem ... 26

Figura 9: Estratégia de Usinagem ... 27

Figura 10: Matriz de dedicada, berço/cavidade ... 29

Figura 11: Eletroerosão a fio FANUC ROBOCUT ... 30

Figura 12: Prensa chapa do dispositivo de estampagem incremental ... 31

Figura 13: Prensa manual Ribeiro 30ton ... 31

Figura 14: Matriz do dispositivo de estampagem incremental ... 32

Figura 15: Montagem do Dispositivo na máquina CNC ... 32

Figura 16: Ferramenta Ball Nose ... 33

Figura 17: Fixação da Ferramenta ... 34

Figura 18: Rebites ... 34

Figura 19: Estratégia de Estampagem Incremental ... 35

Figura 20: Chapa Conformada do Teste Nº01 ... 37

Figura 27: Representação Gráfica das Medições dos Testes ... 44

Figura 28: Representação Gráfica das Medições da Espessura das Chapas ... 45

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LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS

3D – Plano de 3 dimensão (XYZ)

CAD – Projeto Assistido por Computador CAM – Manufatura Assistida por Computador CNC – Comando Numérico Computadorizado DXF/IGES – Extensões de arquivos de CAD/CAM HRc – Medida de dureza

ISF – Estampagem Incremental em Chapas (Incremental Sheet forming) ISO - Organização Internacional para Padronização

Kgf/mm² - Unidade de medida de Dureza Brinell MPa – Medida em Pascal (megapascal)

mm – Medida em milímetros mm/min – Medida de avanço NBR - Normas Brasileiras NC – Comando Numérico Ø – Diâmetro

Ra – Rugosidade média (μm) Rz – Rugosidade média (μm) RPM – Rotação por minutos

SAE - Sociedade de Engenheiros Automotivos

SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial SPIF – Estampagem de Ponto Simples

TPIF – Estampagem de Ponto Duplo μm – Micrometro

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SUMÁRIO

LISTA DE TABELAS...

LISTA DE FIGURAS...

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS...

1. INTRODUÇÃO ... 13

1.1. JUSTIFICATIVA ... 13

1.2 OBJETIVO ... 14

2. REVISÃO DE LITERATURA ... 15

2.1. ESTAMPAGEM INCREMENTAL ... 15

2.2. AÇO SAE 1008 ... 18

2.3. RUGOSIDADE ... 19

2.3.1. Parâmetros de Rugosidade ... 19

3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 22

3.1. Considerações Gerais ... 22

3.2. Projeto do Dispositivo para Estampagem Incremental ... 22

3.3. Fabricação do Dispositivo de Estampagem Incremental ... 24

3.4. Set-up do Dispositivo de Estampagem Incremental ... 32

3.5. Ferramenta de Estampagem ... 33

3.6. Fixação da Chapa de Gabinete de Computador ... 34

3.7. Estratégia de Estampagem Incremental ... 35

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 36

4.1.Testes de Estampagem Incremental em Aço SAE 1008 ... 36

4.1.1. Teste Nº01 ... 36

4.1.2. Teste Nº02 ... 37

4.1.3. Teste Nº03 ... 39

4.1.4. Teste Nº04 ... 40

4.1.5. Teste Nº05 ... 41

4.1.6. Teste Nº06 ... 42

4.2. Ensaio de Rugosidade ... 44

4.3. Resultado das Deformações ... 45

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5. CONCLUSÕES ... 46 6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 47 REFERÊNCIAS ... 48

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1. INTRODUÇÃO

O atual mercado competitivo exige adaptação à busca contínua de novos produtos e desenvolvimento de novas técnicas de produção. A Estampagem Incremental de chapas – ISF: Incremental Sheet Forming – surge como uma inovação tecnológica na área de conformação de chapas.

A Estampagem Incremental de Chapas caracteriza-se como o processo de conformação, especificamente de estampagem, que se desenvolve a temperatura ambiente, com utilização de tecnologias e ferramentas voltadas a área da usinagem.

Durante o processo, o material é deformado sob a ação progressiva de uma ferramenta com ponta esférica ou semi-esférica, e seu movimento pode ser controlado por uma máquina CNC.

Enquanto os processos convencionais de estampagem estão voltados para grandes escalas de fabricação com matrizes complexas e de alto custo, a Estampagem Incremental coloca-se como alternativa para criação de protótipos e fabricação de pequenos lotes, e também para componentes de geometrias complexas que exigem um ferramental de alto custo. (HIRT, 2002)

1.1. JUSTIFICATIVA

Atualmente, a destinação de chapas de gabinetes de computador após o seu descarte está na siderurgia, onde o material é refundido com outros aços. A possibilidade de reutilização de chapas de gabinete de computador, como alternativa de se obter um novo produto a partir da aplicação do processo de estampagem incremental, motivou a realização deste trabalho. Assim, o desafio está em verificar a possibilidade de reutilização, analisando o comportamento destas chapas de gabinete de computador durante o processo de estampagem incremental, tendo em vista que o material poderá sofrer rompimento.

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1.2 OBJETIVO

O objetivo deste trabalho é analisar o comportamento de chapas de gabinete de computador com característica de uma chapa de aço SAE 1008, durante a fabricação de uma peça utilizando-se do processo de estampagem incremental, e verificar a possibilidade de reutilização destas chapas, assim que forem descartadas.

Para isso, foi modelado um dispositivo de estampagem incremental com vários ângulos e uma profundidade de estampagem razoavelmente profunda, com o intuito de analisar a rugosidade e a espessura da deformação do material da chapa de gabinete de computador.

Na possibilidade de se obter uma peça produzida pelo processo de estampagem incremental, serão feitas otimizações nos parâmetros com avanço nos três eixos X, Y e Z da máquina centro de usinagem CNC, tendo como ideia chegar até o rompimento da chapa de gabinete de computador e achar o ponto ótimo da estampagem incremental. A partir disso, será analisada novamente a rugosidade e a espessura da deformação da chapa.

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2. REVISÃO DE LITERATURA

2.1. ESTAMPAGEM INCREMENTAL

Os processos de deformação plástica são definidos e classificados conforme suas características técnicas e aplicações. O forjamento, a extrusão, estampagem, perfilagem, trefilação, laminação, e a calandragem são exemplos de processos de deformação plástica. As duas maiores e mais importantes aplicações da estampagem estão na indústria automobilística e na indústria aeronáutica. Mas vários outros tipos de produtos também são obtidos através deste processo. As indústrias navais, de eletrônicos, de utensílios domésticos e hospitalares também tem na estampagem seu principal processo de fabricação. (CALLEGARI, M. et al., 2006).

O termo ‘estampagem’ generaliza várias operações de manufaturas realizadas em chapas de metal, onde sempre ocorrem alterações na sua forma geométrica, produzindo dobras, vincos, cavidade, saliências, cunhas e furos. Todas estas deformações são realizadas no estágio sólido, onde o material é escoado em regime plástico. Tem-se na estampagem um grande aproveitamento da matéria- prima, com desperdício reduzido e geração de sobras de materiais, diferente de outros processos como, por exemplo, a usinagem (RODRIGUES e MARTINS, 2005)

Para atender às demandas do alto volume de produção, levando em consideração custos baixos e tempos mínimos de fabricação, a indústria começou a estampar chapas em prensas. No entanto, evidenciou-se a desvantagem de que para cada produto a estampar, se faz necessário uma ferramenta dedicada (matriz).

Os custos de conceber ferramentas dedicadas são muito elevados, resultando também em aumento dos custos dos produtos. Deste modo, confirma-se a estampagem em ferramentas dedicadas como apropriada apenas para alto volume de produção. Como é incessante a produção de novos produtos pela indústria, há também uma necessidade constante de desenvolver protótipos. Os protótipos são feitos a fim de experimentar uma nova peça ou a sua funcionalidade (KOPAC and KAMPUS, 2005).

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A fim de minimizar o uso de ferramentas dedicadas para a estampagem de chapas, no que diz respeito à fabricação de pequenos lotes ou modelos únicos, a estampagem incremental de chapas surge como uma boa alternativa na indústria. O processo de Estampagem Incremental (Incremental Sheet Forming – ISF) é uma inovação tecnológica na área de deformação de chapas. Consiste na conformação de uma geratriz, com razoável precisão, a partir de arquivos CAD (Computer Aided Design – Projeto Assistido por Computador) convertidos em arquivos CAM (Computer Aided Manufacturing – Manufatura Assistida por Computador) tridimensionais. A trajetória da ferramenta é controlada por um programa e empregando um pequeno punção, utilizando a tecnologia CNC (Computer Numeric Control - Controle Numérico Computadorizado), vai conformando aos poucos a peça através de pequenas deformações (SCHAEFFER, 2004) (BAMBACH, HIRT and AMES, 2006).

Este processo de estampagem incremental de chapas foi patenteado em 1967 por Edward Leszak. O nome desta tecnologia deriva-se pelo fato de que a qualquer momento apenas uma pequena parte do produto está sendo realmente conformado, e que a área da deformação localizada está movendo-se sobre o produto inteiro. Esta definição atinge muitos processos, como a laminação, por exemplo. (EMMENS, SEBASTIANI and BOOGAARD, 2009).

Levando em conta que esta tecnologia abrange um mercado amplo e variado, com características singulares, a Estampagem Incremental se adapta muito bem a algumas das novas exigências do mercado, tais como a agilidade na fabricação de protótipos, a produção de pequenas séries de componentes e a obtenção de peças que, por possuírem elevada complexidade geométrica, se tornariam inviáveis por processos convencionais (PATRÍCIO, et al., 2010).

O processo de estampagem incremental pode ser dividido essencialmente em dois grupos, dependendo do número de pontos de contato entre ferramenta, folha, e matriz (quando presente). Por isso, é possível distinguir a estampagem incremental de ponto simples (SPIF - Single-point Incremental Forming), e de ponto duplo (TPIF – Two Points Incremental Forming) (ATTANASIO, CERETTI and GIARDINI, 2006).

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Contudo, para alcançar formas precisas na estampagem incremental, se utiliza suporte inferior específico no formato desejado, podendo ser com simetria axial ou assimétrico, indicado para obtenção de superfícies complexas e orgânicas.

Este suporte, por sua vez, pode ser positivo (ressalto) ou negativo (cavidade) (ALLWOOD et al., 2005) (HIRT et al., 2005). A Figura 1 a seguir ilustra as modalidades mencionadas.

Figura 1: Modalidades da Estampagem Incremental

Fonte: Adaptado de CASTELAN (2010).

Em ISF, a folha/chapa a ser conformada (blank) é presa em um suporte retangular móvel, independente do formato final da chapa, que pode efetuar movimentos controlados na direção vertical, ou seja, paralelamente ao eixo Z de um sistema CNC. Enquanto a estampagem estiver acontecendo, elementos de fixação distribuídos em torno da chapa evitam que a mesma se movimente, criando assim uma deformação plástica na chapa. Acoplada ao eixo árvore de um dispositivo CNC, uma ferramenta de cabeça esférica dá o início ao processo de ISF por meio do movimento contínuo sobre a superfície da chapa e vai, gradativamente, através de

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incrementos verticais negativos, realizando a conformação, Figura 2 (MARTINS, BAY, SKJOEDT, & SILVA, 2008).

Figura 2: Princípio do Processo de Estampagem Incremental

Fonte: MARTINS, BAY, et al., (2008).

A trajetória de deformação da ferramenta é baseada em tecnologia de NC, que é gerada a partir do sistema CAM normal (FRITZEN, 2011). O produto deste processo pode ser feito diretamente de um modelo de CAD 3D de produto acabado, sem qualquer tipo de matriz. (SY, 2009).

O grande diferencial da ISF é devido ao fato que a estampagem pode ser realizada com matriz bastante simplificada ou mesmo sem matriz, o processo parece ser muito interessante para pequenos volumes de produção e prototipagem rápida de componentes de chapas (CAVALER, 2010, p. 29).

2.2. AÇO SAE 1008

O aço SAE 1008 apresenta as seguintes propriedades mecânicas conforme o Guia das Siderurgias (2012):

 0,08% teor de Carbono, no máx. 0,1%;

 0,3 a 0,5% de Manganês;

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 Limite de escoamento mín. 170 MPa;

 Limite de resistência méd. 303 MPa;

 30% de alongamento mínimo (L0=50 mm);

 55% de redução de área média;

 Dureza Brinell méd. de 86 Kgf/mm².

O aço SAE 1008 tem amplo uso na engenharia mecânica, por apresentar baixo teor de carbono é um aço que possui grande ductilidade. Este aço não possui a propriedade de ser temperado, mas é vasta a sua aplicação no mercado, e considerado um bom aço para o trabalho mecânico e soldagem.

2.3. RUGOSIDADE

Rugosidade é um conjunto de saliências e reentrâncias apresentadas na superfície da peça, portanto entende-se rugosidade como um conjunto de irregularidades. Estas irregularidades são provocadas por sulcos ou marcas deixadas pela ferramenrta que atuou sobre a superfície da peça.

A rugosidade está relacionada diretamente com o acabamento superficial da peça formada pelo conjunto de irregularidades onde podem ser avaliadas por aparelhos eletrônicos, tais como o rugosímetro. É regida pela norma NBR ISO 4287/2002 onde seu objetivo está em definir o sistema de avaliação, termos e conceitos relativos à rugosidade, definir parâmetros de avaliação dos estados de superfície - Ra, RZ e Rmáx, e ainda, definir procedimentos de avaliação de rugosidade, por meio de instrumentos apalpadores elétricos, com filtragem e classificação da rugosidade por meio de parâmetros padronizados (Ra, RZ e Rmáx).

2.3.1. Parâmetros de Rugosidade

A rugosidade média (Ra), é a média aritmética dos valores absolutos das ordenadas de afastamentos (yi), dos ponto de perfil de rugosidade em relação à linha média, dentro do comprimento do percurso de medição (lm), conforme Figura 3.

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Figura 3: Rugosidade Média (Ra)

Fonte: NBR 8404/1984.

A rugosidade média (Ra) é o parâmetro de medição mais utilizado em todo o mundo, e é aplicável a maioria dos processos de fabricação. Devido a sua grande utilização, quase todos os equipamentos apresentam esse parâmetro (de forma analógica ou digital eletrônica). Na representação gráfica do perfil, esse valor corresponde à altura entre os pontos máximo e mínimo do perfil, no comprimento de amostragem (le), conforme Figura 4.

Figura 4: Rugosidade Média (Rz)

Fonte: (NBR 8404/1984).

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A rugosidade média (Rz) corresponde média aritmética dos (Rzi) em amostragens consecutivas, sendo que os (Rzi) é a distância vertical entre o pico mais alto e o mais profundo vale dentro de uma amostragem de comprimento, ou seja, é a soma dos valores absolutos das ordenadas dos pontos de maior afastamento, acima e abaixo da linha média, existentes no cut off (comprimento de amostragem).

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3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1. Considerações Gerais

No inicio do projeto, definiu-se a chapa a ser estampada como as de gabinete de computador em aço SAE 1008. Importante informar que o material foi escolhido, desconhecendo seu comportamento de conformação durante o processo de estampagem incremental bem como resultados a serem alcançados.

A partir disso o desafio passou à elaboração da cavidade, o modelo a ser conformado no centro de usinagem, sendo necessário um dispositivo para conformar no processo de estampagem incremental. O dispositivo (matriz, berço, ou cavidade) tem com propósito calibrar o modelo a ser estampado, conforme Castelan (2010).

Acrescentando ainda, que por não haver ponto de apoio inferior, o formato da peça final é determinado somente pelo deslocamento da ferramenta nos 3 eixos (X, Y e Z).

A chapa é fixada em suportes laterais que mantém altura constante em relação à base. Hussain (2007) cita em seus estudos, que estes elementos de fixação evitam o movimento da chapa durante o processo, culminando na sua deformação plástica.

3.2. Projeto do Dispositivo para Estampagem Incremental

Para dar inicio a conformação mecânica da chapa com o processo de estampagem incremental em um centro de usinagem, foi necessária a construção de um dispositivo específico, mais conhecido como matriz (berço), de acordo com o tamanho da peça a ser conformada para devida fixação da chapa, tal qual foi projetado no software de CAD 3D ‘Solidworks’ 2012.

Os sistemas CAD oferecem muitas vantagens aos desenhistas, sendo que o mais importante é a padronização gráfica, que permite vários editores gráficos

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interpretem um desenho armazenado em um arquivo padrão. (ESPINOZA e SCHAEFFER, 2004).

Sendo assim, a matriz foi projetada em cima de uma imagem de um gabinete de computador com a forma de um ressalto na lateral levando em consideração os ângulos apresentados e ainda, feita modificação na profundidade a ser estampada.

Figura 5: Modelo proposto para a cavidade do dispositivo

Fonte: Gabinete de computador da Raidmax, (site Kabum).

A partir disso, modelou-se no ‘Solidworks’ 2012 a cavidade sugerida na Figura 5 conforme região demarcada em vermelho, e assim, projetado a matriz do dispositivo para estampagem incremental. Este projeto dividiu-se em duas peças para que fosse possível a união entre o aço e a madeira montadas por interferência de 0,3mm, onde o aço está localizado no prensa chapa e a madeira no berço/cavidade.

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No berço da matriz, projetou-se a cavidade com um ângulo de inclinação de 60º com 40mm de profundidade. Ainda, foi elaborado na mesma matriz o meio de fixação desta com a mesa do centro de usinagem, com 2 (dois) rasgos paralelos na lateral desta com intuito de fixá-la com lachas (castanhas), que são elementos de fixação nas máquinas operatrizes e centros de usinagem.

No prensa chapa, realizou-se a furação de 4mm de diâmetro para os rebites, elementos de fixação da chapa a ser conformada com o dispositivo para estampagem incremental (matriz) conforme a Figura 6.

Figura 6: Matriz Modelada

Fonte: Própria.

3.3. Fabricação do Dispositivo de Estampagem Incremental

O dispositivo de estampagem incremental foi construído em duas peças sendo que, a matriz dedicada que possui o berço/cavidade é feita em madeira cambará com intenção de redução de custos. Esta madeira, apesar do baixo custo, apresenta-se com características benéficas quanto à resistência e facilidade em ser trabalhada. Esta madeira é considerada pelos madeireiros como moderadamente fácil de serrar e aplainar, fácil de pregar e parafusar, e permite acabamento satisfatório.

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A usinagem da madeira de cambará dividiu-se em dois métodos: operações realizadas na fresadora ferramenteira Sunlike e operações realizadas no centro de usinagem ROMI Discovery 760. A ROMI Discovery 760 possui as seguintes características físicas: dimensões da mesa (840 mm X 360 mm), com o curso no eixo X de 590 mm,e o curso do eixo Y de 406mm, curso em Z de 508mm, uma vez que o peso da carga máxima que pode ser colocada sobre a mesa é de 350 kg.

Iniciou-se as operações na fresadora ferramenteira Sunlike (Figura 7), com o intuito de preparar a madeira para colocar/fixar no centro de usinagem ROMI Discovery 760 (Figura 8).

Figura 7: Máquina operatriz fresadora ferramenteira

Fonte: Própria.

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Com a máquina operatriz fresadora ferramenteira Sunlike foram realizadas as seguintes operações:

 Esquadrejamento, que apresentou dimensões de (330 X 290 X 75) mm, utilizando-se uma fresa de diâmetro de 40 mm, RPM: 1200, com avanço de 400 mm/min, removendo 3mm de profundidade de corte.

 Os rasgos das duas laterais que possuem 290 mm. Este rasgo apresenta dimensão de 25 mm de largura X 20 mm de profundidade X 290 mm de extensão de toda lateral, utilizando-se uma fresa de diâmetro de 20 mm, RPM:1200, com avanço de 400mm/min, tirando 2 mm de profundidade de corte.

Já nas operações com o centro de usinagem ROMI Discovery 760, foram realizadas operações mais complexas, tais que necessitariam de exatidão e precisão, como a cavidade/berço da conformação, e o rebaixo do encaixe da chapa do prensa chapa com o programa Edgecam 2012 R2.

O software de CAD/CAM Edgecam 2012 R2 foi escolhido por desenvolver estratégias que otimizam os caminhos de ferramenta, eliminam passes desnecessários em vazio, melhoram a vida útil das ferramentas, reduzem o tempo de programação e geram usinagens mais seguras, conforme a empresa SKA.

Figura 8: Centro de Usinagem

Fonte: Própria.

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A Figura 9 exemplifica as operações realizadas na programação da estratégia da usinagem da matriz dedicada.

Figura 9: Estratégia de Usinagem

Fonte: Própria.

Seguem as operações realizadas com o centro de usinagem ROMI Discovery 760:

 O desbaste do perfil da cavidade, utilizando os parâmetros descritos na Tabela 1.

Tabela 1: Parâmetros do Desbaste da Cavidade

Avanço (mm/min) em XY 2500 Avanço (mm/min) em Z 200

Rotação (rpm) 5500

Deslocamento em Z 5 Ø da ferramenta 20

Fonte: Própria.

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 O acabamento do perfil da cavidade, utilizando os parâmetros descritos na Tabela 2.

Tabela 2: Parâmetros do Acabamento da Cavidade

Deslocamento em Z 0,5 Ø da ferramenta 10

Fonte: Própria.

 O rebaixo do encaixe por interferência com o aço do prensa chapa, com perfil de um retângulo com dimensões de 255,6 mm X 270,3 mm possuindo 10 mm de profundidade para acomodação da chapa, conforme parâmetros apresentados na Tabela 3.

Tabela 3: Parâmetros do Rebaixo do Encaixe por Interferência

Deslocamento em Z 2 Ø da ferramenta 10

Fonte: Própria.

O resultado das operações de usinabilidade da madeira em cambará foi favorável, considerando a maior facilidade de remoção de material em relação ao aço, que é também normalmente realizado nestas máquinas. O resultado da confecção da matriz dedicada é mostrada na Figura 10.

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Figura 10: Matriz de dedicada, berço/cavidade

Fonte: Própria.

Na outra parte do dispositivo de estampagem incremental, o prensa chapa da matriz foi construído em aço SAE 1020, que possui as seguintes propriedades mecânicas: baixa temperabilidade, excelente forjabilidade, soldabilidade, e usinabilidade. Para a fabricação do prensa chapa precisou-se da fresadora ferramenteira Sunlike, já apresentada Figura 7. Com esta máquina operatriz foram feitas as seguintes operações de usinagem:

 O esquadrejamento da peça, utilizando-se uma fresa de diâmetro de 40 mm, RPM:1200, com avanço de 400 mm/min, removendo 5 mm de profundidade de corte.

 Faceamento da peça, utilizando-se uma fresa de diâmetro de 63 mm, 800 rotações por minuto (RPM), avanço de 480mm/min, removendo 1mm de profundidade de corte.

Também precisou-se de serviços do laboratório da mecânica do SENAI Lindolfo Collor, por ser a única instituição de ensino na grande região de Porto Alegre por possuir uma máquina de eletroerosão a fio, a FANUC ROBOCUT conforme a Figura 11.

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Figura 11: Eletroerosão a fio FANUC ROBOCUT

Fonte: Própria.

Esta máquina possibilitou a confecção do vazado da chapa de dimensão (255,3 mm X 270 mm), que serve para fazer o encaixe por interferência que é de 0,3mm entre o aço e a madeira. Durante o processamento de eletroerosão a fio, com a FANUC ROBOCUT, o parâmetro mais importante é o material removido por minuto: 3,5 mm/min.

Posteriormente, para programação do corte da chapa de aço utilizou-se o software Pitágoras. O software Pitágoras possui compatibilidade com ambiente Windows 2000/XP/Vista/Seven (32 e 64 Bits), com programação de máquinas de eletroerosão a fio de 2 a 5 eixos, além disso, possui conexão com outros sistemas CAD/CAM através de arquivos DXF/IGES, conforme a empresa MICRO CAM.

Além de todas essas operações de usinagem, foram confeccionados 28 furos na volta de toda a cavidade para a fixação da chapa a ser conformada no processo de estampagem incremental. Esse 28 furos são de Ø4 mm X 10 mm de profundidade, de face a face da chapa por ela possuir 10 mm de espessura, portanto são passantes. O resultado das operações apresentou-se conforme o esperado, exposto na Figura 12.

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Figura 12: Prensa chapa do dispositivo de estampagem incremental

Fonte: Própria.

Após a fabricação das duas peças, o aço e a madeira, realizou-se a operação de montagem de ambas por interferência na prensa manual Ribeiro que possui 30ton de carga de força conforme a Figura 13.

Figura 13: Prensa manual Ribeiro 30ton

Fonte: Própria.

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32

A finalização da confecção do dispositivo de estampagem incremental, está apresentada conforme a Figura 14.

Figura 14: Matriz do dispositivo de estampagem incremental

Fonte: Própria.

3.4. Set-up do Dispositivo de Estampagem Incremental

Antes de começarem os testes de estampagem incremental, realizou-se o alinhamento dos eixos do dispositivo sobre a mesa XY do centro de usinagem ROMI Discovery 760. A operação do set-up foi aferida por um relógio comparador fixado em um porta-ferramenta no eixo da árvore da máquina (spindle). Com isso, o dispositivo / matriz dedicada fixou-se junto à mesa da máquina com lachas conforme a Figura 15.

Figura 15: Montagem do Dispositivo na máquina CNC

Fonte: Própria.

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3.5. Ferramenta de Estampagem

Para facilitar a fabricação da ferramenta ball nose, esta foi projetada com ponta esférica Ø10,5 mm e com o corpo inteiriço nas dimensões de Ø10 mm X 130 mm, com aço SAE 4340 (conforme a Figura 16), sendo que a ponta foi temperada por indução deixando-a com uma dureza de 63 HRc.

Figura 16: Ferramenta Ball Nose

Fonte: Própria.

A fixação desta ferramenta na máquina centro de usinagem CNC ocorreu através de um porta-ferramenta de pinça Ø10-11 (conforme a Figura 17).

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34

Figura 17: Fixação da Ferramenta

Fonte: Própria.

3.6. Fixação da Chapa de Gabinete de Computador

A fixação da chapa de gabinete de computador, realizou-se com 28 rebites de alumínio de Ø4 mm X 8 mm (conforme a Figura 18) em toda a volta de sua cavidade, conforme os furos feitos no prensa chapa do dispositivo, tendo sido a chapa fixada junto ao dispositivo de estampagem.

Figura 18: Rebites

Fonte: Própria.

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3.7. Estratégia de Estampagem Incremental

A estampagem se dá pelo perfil (formato da cavidade), e para isso utilizou-se o software Edgecam 2012 R2 para programação desta estampagem. O perfil da estampagem foi programado com a “profiling operation” (operação de perfil), com redução dos parâmetros pré-estabelecidos pelo próprio programa, como o avanço X, Y e Z, rotação da ferramenta, deslocamento em Z. Segue a Figura 19.

Figura 19: Estratégia de Estampagem Incremental

Fonte: Própria.

Para programar a operação de “profiling operation” teve-se que modificar a origem do ponto zero da peça, localizado em um canto da matriz, para ser inserida no centro da matriz dedicada onde, por sua vez, o centro foi mensurado através do plano XY do rebaixo da acomodação da chapa, realizada por interferência.

Ainda, por precaução de evitar que a ferramenta ultrapasse o limite do perfil desejado, inseriu-se um esboço do contorno do perfil por toda a sua volta, definido assim a região de estampagem.

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36

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1.Testes de Estampagem Incremental em Aço SAE 1008

Foram realizados seis testes de Estampagem Incremental em chapas de gabinete de computador de aço SAE 1008, apresentados a seguir.

4.1.1. Teste Nº01

O teste Nº1 apresenta-se com os parâmetros mais baixos possíveis da máquina centro de usinagem CNC. O objetivo deste teste é que a chapa de aço SAE 1008 não rompa, para que possa a ter utilidade de reciclo.

Utilizou-se 400 mm/min de avanço em XY, 150 mm/min de avanço em Z, tendo o seu deslocamento em Z de 0,2 mm por passe de usinagem, em uma rotação de 25 rpm no spindle, e um off-set de 1mm com intuito de obter a espessura da chapa a ser alojada dentro da cavidade. Com base nestes parâmetros, apresentada na Tabela 4.

Tabela 4: Parâmetros do Teste Nº01

Avanço (mm/min) em XY 400

Avanço (mm/min) em Z 150

Rotação (rpm) 25

Deslocamento em Z 0,2

Off set (mm) 1

Espessura da chapa (mm) 1 Tempo total de processamento (min) 360

Fonte: Própria.

Neste teste empregou-se além da operação de perfil, a operação de usinagem do fundo. Entretanto, após a sua conformação observou-se que a operação de usinagem do fundo poderia ser eliminada na programação.

Para minimizar o atrito da ferramenta ball nose com a chapa de aço SAE 1008, utilizou-se um óleo de corte como lubrificante, e com isso, o resultado do

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tempo total de processamento foi de 360 min. Com base nestes parâmetros o resultado foi favorável, e a Figura 20 mostra a real possibilidade de conformação da chapa de gabinete de computador, obtendo-se resultados de rugosidade média (Ra) de 0,732 μm e uma deformação média de 0,4 mm de espessura parede deformada.

Figura 20: Chapa Conformada do Teste Nº01

Fonte: Própria.

4.1.2. Teste Nº02

O teste Nº2 foi considerado um teste mais ousado, onde seu objetivo estava em entender se haveria o rompimento da chapa de aço SAE 1008. Baseado no trabalho realizado por Silva (2011), onde o rompimento da chapa ocorreu com o avanço de 1600 mm/min. Em cima desta ideia, os parâmetros do avanço foram elevados em 4x a mais do que no teste Nº1, de 400 mm/min para 1600 mm/min em XY, e 150 mm/min para 600mm/min em Z. O os demais parâmetros se mantiveram conforme o teste Nº01, só havendo a exclusão da operação de usinagem do fundo, pois é desnecessária assim vista anteriormente no teste Nº01.

Iniciou-se a estampagem com o avanço de 1600 mm/min em XY e 600 mm/min, após 10mm de conformação o avanço era de 400 mm/min em XY e 150 mm/min em z, mas nos últimos 10 mm de conformação o avanço foi de 1600 mm/min em XY e 150 mm/min em Z. Os demais parâmetros foram mantidos, conforme a Tabela 5.

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38

Avanço (mm/min) em XY 400-1600 Avanço (mm/min) em Z 150-600

Rotação (rpm) 25

Off set (mm) 1

Espessura da chapa (mm) 0,8 Tempo total de processamento (min) 180

Fonte: Própria.

Este teste constatou que, com este avanço era impossível de se obter um produto (chapa conformada) em boas condições, mas apesar do rompimento ocasionado, obteve-se uma redução no tempo total de processamento que foi de 180 min, com uma deformação média de 0,3 mm de espessura da chapa. Onde houve rompimento, a chapa chegou a ter 0,2 mm de espessura da deformação, e a sua rugosidade média (Ra) de 1,762 μm, como exemplifica a Figura 21.

.

Fonte: Própria.

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4.1.3. Teste Nº03

No teste Nº03 aplicou-se o avanço 3 vezes maior do que no teste Nº01, com o objetivo de tentar achar o ponto ótimo da estampagem incremental. Sendo assim, o avanço foi de 1200 mm/min em XY e 450 mm/min em Z, sendo que os demais parâmetros se mantiveram conforme o teste Nº01, conforme a Tabela 6.

Rotação (rpm) 25

Off set (mm) 1

Fonte: Própria.

Com estes parâmetros evidenciou-se que este é o ponto ótimo da estampagem incremental, pelo seu tempo total de processamento de 120min, por não ocasionar nenhum tipo de fratura ou rompimento, além de sua rugosidade média (Ra) ter sido de 0,496μm e a sua deformação média de 0,4mm de espessura da parede da chapa. A Figura 22 mostra a conformação do ponto ótimo da estampagem incremental.

Fonte: Própria.

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40

4.1.4. Teste Nº04

A realização deste teste teve como objetivo constatar o rompimento da chapa conforme o teste Nº02, assim foi aplicado, do início ao fim da estampagem, o avanço de 1600mm/min em XY e 600mm/min em Z, e os demais parâmetros se mantiveram conforme a Tabela 7.

Rotação (rpm) 25

Off set (mm) 1

Fonte: Própria.

Os resultados deste teste confirmaram o experimento do teste Nº02, mas foram mensurados alguns resultados como o tempo total de processamento, que foi o mais baixo com 80min de conformação, possuindo uma rugosidade média (Ra) de 2,656μm e uma deformação média foi de 0,3mm na espessura da chapa conforme a Figura 23 da conformação do teste Nº04.

Fonte: Própria.

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Para melhor visualização do rompimento nas chapas conformadas foi realizado uma imagem com um aumento na magnificação conforme mostra a Figura 24.

Fonte: Própria.

4.1.5. Teste Nº05

O teste Nº05 teve como objetivo a utilização de um parâmetro que sabe-se que a chapa não se romperá, mas utilizou-se de uma chapa moldada pré- conformada e com furos para analisar seu comportamento.

Para isso, foram utilizados os seguintes parâmetros, expostos na Tabela 8, com o avanço de 800 mm/min em XY e 300 mm/min em Z, e os demais parâmetros foram mantidos os mesmos conforme os testes anteriores.

Rotação (rpm) 25

Off set (mm) 1

Fonte: Própria.

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O teste Nº05 revelou que chapas moldadas e pré-conformadas não servem para estampagem incremental, pois sua parede (espessura) já sofreu modificação por algum esforço mecânico, mesmo estampando com parâmetros baixos. Portanto chapas que já possuem cortes, vincos, rebaixos e furos não são indicadas para a realização do processo de estampagem incremental conforme a Figura 25.

Os resultados obtidos foram de 170 min de tempo total de processamento, com uma rugosidade média (Ra) de 1,512 μm, e uma deformação média de 0,3mm na sua espessura da chapa.

Fonte: Própria.

4.1.6. Teste Nº06

O teste Nº06 tem como intuito a verificação se o teste Nº03 seria o ponto ótimo para a estampagem incremental. Para isso, aplicou-se medidas intermediárias entre os testes Nº03 e Nº04, ou seja, com um avanço de 1400 mm/min em XY e 525 mm/min em Z, como exposto na Tabela 9.

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Rotação (rpm) 25

Off set (mm) 1

Fonte: Própria.

Este teste confirmar que teste Nº03 é o ponto ótimo para a estampagem incremental, apresentando um tempo considerável de 100 min de processamento, junto com uma rugosidade média (Ra) de 1,536 μm e uma deformação média de 0,2 mm na espessura na seção da chapa estampada, conforme a Figura 26.

Fonte: Própria.

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4.2. Ensaio de Rugosidade

Os resultados da rugosidade média (Ra) apresentados nos testes, foram baseados na média dos resultados das medições realizadas com o rugosímetro, conforme a Tabela 10.

Tabela 10: Medição da Rugosidade

Medição da Rugosidade ( em μm)

Teste Medição 1 Medição 2 Medição 3 Medição 4 Medição 5 Média (Ra)

Nº01 0,89 0,73 0,61 0,71 0,72 0,732

Nº02 1,67 2 1,94 1,41 1,79 1,762

Nº03 0,41 0,43 0,69 0,49 0,46 0,496

Nº04 3,95 2,2 2,45 2,3 2,38 2,656

Nº05 1,63 1,31 1,37 1,46 1,79 1,512

Nº06 1,63 1,5 1,36 1,73 1,46 1,536

Fonte: Própria.

Os resultados dessas medições de rugosidade demonstram, conforme a Figura 27, a relação de proporcionalidade, ou seja, quanto maior o avanço aplicado na máquina Centro de Usinagem CNC, maior será o resultado da rugosidade média (Ra).

Figura 27: Representação Gráfica das Medições dos Testes

Fonte: Própria.

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4.3. Resultado das Deformações

Com base nas medições da espessura das chapas conformadas obteve-se os seguintes resultados conforme a Tabela 11, onde a medição 1 significa o estado da chapa antes de ser conformada, e a medição 2 após a sua conformação.

Tabela 11: Medição da espessura da chapa

Espessura da Chapa (em mm) Testes Medição 1 Medição 2

Nº 1 1 0,4

Nº 2 0,8 0,3

Nº 3 1 0,4

Nº 4 1 0,3

Nº 5 0,7 0,3

Nº 6 0,7 0,2

Fonte: Própria.

Os resultados destas medições podem ser visualizadas na Figura 28, onde ambas as chapas que não romperam apresentam-se nas mesmas condições de espessura de deformação, conforme o teste Nº01 e Nº03. Entretanto, as demais sofreram o rompimento. Na representação gráfica a cor azul é a medição da espessura das chapas antes de sofrer qualquer esforço mecânico, já a cor vermelha significa a medição da espessura das chapas após a sua conformação.

Figura 28: Representação Gráfica das Medições da Espessura das Chapas

Fonte: Própria.

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5. CONCLUSÕES

Através dos experimentos práticos, demonstrou-se que é possível adaptar recursos da área de usinagem (softwares CAD/CAM, equipamentos, ferramentas e centros de usinagem CNC) para a fabricação de peças através de estampagem incremental.

Conclui-se que apesar da estampagem incremental ser considerado um processo vagaroso, adapta-se muito bem as exigências do mercado na área de prototipagem, onde sua produção é de pequenos lotes de peças ou até mesmo na fabricação de uma peça única, pelo grau de complexidade do produto a que se quer obter. Na prototipagem para estamparias, abre a possibilidade de avaliação anterior ao investimento de recursos em matrizes para estampo, verificando se o material apresenta propriedades compatíveis para conformar na estampagem.

Com este estudo, compreende-se que a deformação da chapa está ligada diretamente com o parâmetro do avanço da máquina centro de usinagem CNC.

Assim, quanto maior o seu avanço maior a sua deformação.

Observa-se ainda que o processo de estampagem incremental não é favorável pelo seu tempo total de processamento, bem como na utilização de chapas que já sofreram algum esforço mecânico anteriormente, assim visto no teste Nº05.

Quanto à rugosidade, constatou-se que as chapas que não sofreram rompimento permaneceram praticamente com os mesmo valores, considerando o avanço de 400 mm/min até o seu ponto ótimo com o avanço de 1200 mm/min. As demais, que sofreram o rompimento por excesso de avanço apresentaram proporcionalidade, ou seja, quanto maior o avanço aplicado maior o valor da rugosidade.

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6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Aproveitar as ferramentas de estampagem que foram utilizadas neste trabalho, como a ferramenta esférica ball nose e o dispositivo de estampagem incremental, para verificar a possibilidade de conformar (estampar) chapas de polímeros, uma vez que já sabe-se que ambas ferramentas se comportaram positivamente neste processo.

Sugiro ainda, estudar a possibilidade de utilização do processo de estampagem incremental em chapas de aço de automóveis, objetivando a personalização automotiva.

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REFERÊNCIAS

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