Introdução ao projeto mecânico

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Introdução ao projeto mecânico

Prof. Carlos Frederico de Matos Chagas

Descrição

O estudo das diversas variáveis e fatores envolvidos em um projeto mecânico, bem como a relação destas com as tomadas de decisões.

Propósito

Compreender os principais conceitos relativos ao projeto mecânico, identiﬁcando as fases de um projeto, os principais materiais utilizados, os conceitos de fator de projeto, fator de segurança e os aspectos

econômicos, a ﬁm de identiﬁcar a relação entre esses fatores e a viabilidade técnica econômica do projeto.

Objetivos

Módulo 1

Introdução ao projeto mecânico

Reconhecer os principais conceitos, deﬁnições e fases relativos ao projeto mecânico.

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Módulo 2

Materiais de engenharia

Identiﬁcar os principais materiais de engenharia e comparar suas propriedades.

Módulo 3

Projeto mecânico X produção

Identiﬁcar os fatores econômicos, estabelecendo relação com diversos aspectos e viabilidade técnico- econômica de um projeto.

Módulo 4

Fatores de projeto e segurança

Reconhecer o conceito de fator de projeto e fator de segurança em um projeto mecânico.

Introdução

Antes de começar, conheça as características de um projeto mecânico no vídeo a seguir.

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1 - Introdução ao projeto mecânico

Ao nal deste módulo, você será capaz de reconhecer os principais conceitos, de nições e fases relativos ao projeto mecânico.

Vamos começar!

Fases e iterações no processo de projeto

Assista ao vídeo a seguir para conhecer os principais pontos que serão abordados neste módulo.

Fases do processo de projeto

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No passado, os projetos mecânicos eram bem característicos e exigiam conhecimentos para o projeto de peças e sua montagem para a formação de um sistema mecânico. A partir da evolução tecnológica e da crescente substituição de componentes analógicos por microprocessadores, convivemos com a era da mecatrônica.

Exemplo

A evolução tecnológica trouxe dispositivos como: câmeras, fotocopiadoras de escritório, carros, aviões, dentre outros.

O que torna difícil o projeto desses dispositivos é a necessidade de domínio do conhecimento em áreas claramente diferentes.

Ainda assim, por mais que a eletrônica passe a ser o núcleo dos dispositivos, quase todos os produtos exigem funções mecânicas e a correspondente interface com humanos. Além disso, a fabricação e a montagem desses produtos requerem máquinas com elementos mecânicos. Sendo assim, o conhecimento do projeto mecânico ainda é fundamental para o sucesso de qualquer produto com interface com o ser humano.

Um projeto tem por ﬁnalidade atender uma necessidade ou solucionar um

problema, seja por meio de um produto ou de um serviço. Para isso, é necessário planejar o processo para a conclusão bem sucedida do projeto.

Esse processo consistirá em diversas etapas que resultarão na tomada de decisão com base nos seguintes fatores:

Conhecimento técnico;

Restrições existentes (econômicas, espaciais, ambientais);

Informações conhecidas sobre a necessidade ou problema a ser resolvido;

Qualiﬁcação e experiência proﬁssional dos membros da equipe de projeto.

Em projetos com elevado grau de complexidade, é provável que haja necessidade de aprimoramento das soluções apresentadas, até que todas as restrições sejam atendidas, caracterizando a iteratividade do processo. Nesse cenário, a capacidade de comunicação é fundamental para o completo entendimento do problema e das condições de contorno pela equipe de projeto.

Durante as atividades de um projeto mecânico, as ideias são transformadas em um produto (sistema mecânico). Esse produto, a despeito de sua complexidade, é o resultado de um processo que combina pessoas e seus conhecimentos, ferramentas e habilidades. O processo de projeto é a organização e a

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gestão de pessoas e das informações para o desenvolvimento de um produto que atenda a uma dada necessidade.

A imagem a seguir apresenta o ﬂuxograma de um processo de projeto. Veja:

Levantamento das necessidades e de nição do problema

Identi cação da necessidade

O processo de projeto começa com a identiﬁcação de uma necessidade, de um problema ou com o reconhecimento de um mercado potencial para um produto, dispositivo ou serviço. Muitas das vezes, a necessidade não é clara e evidente. Nesses casos, identiﬁcar e descrever a necessidade é uma tarefa difícil que demanda imaginação, criatividade e bom senso, pois a descrição da necessidade deve ser a mais clara e objetiva possível, evitando ser vaga.

Exemplo

Se dissermos que o projeto de um aparelho de ar condicionado necessita ser melhorado, sabemos que algo a respeito desse produto não está agradando, mas não temos uma ideia clara da necessidade ou problema que devemos abordar. Se, por outro lado, dissermos que o aparelho é excessivamente barulhento, temos um bom ponto de partida para começarmos o processo do projeto.

As necessidades, inicialmente, não estão atreladas a um produto especíﬁco que possamos desenvolver. A equipe de projeto deve ser capaz de identiﬁcar as necessidades do cliente sem saber se ou como irá atender a essas necessidades.

Comentário

Observe que escolhemos usar a palavra necessidade para rotular qualquer atributo de um produto potencial desejado pelo cliente; aqui, não fazemos distinção entre um desejo e uma necessidade.

Outros termos usados na prática industrial para se referir às necessidades do cliente incluem atributos do

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cliente e requisitos do cliente (ULRICH; EPPINGER, 2016).

Uma boa técnica para descrever uma necessidade é sempre se concentrar no “O QUE” se pretende do sistema, não no “COMO” o sistema deve realizar determinada função. É importante levantarmos a necessidade segundo a visão do cliente e não inﬂuenciarmos, ou mesmo nos deixarmos levar para uma solução ainda nesta fase. É importante que tenhamos em mente: o importante nesta etapa é “O QUE”. A adesão a esse princípio deixa a equipe de desenvolvimento com máxima ﬂexibilidade para gerar e selecionar conceitos de produtos.

De nição do problema

A descrição da necessidade, geralmente, não é suﬁcientemente detalhada. Cabe à equipe de projeto, consultando o cliente, deﬁnir o problema a ser resolvido.

Para isso, deve-se seguir os passos abaixo:

1. Levantar os requisitos do projeto a ser concebido, incluindo as entradas e saídas;

2. Deﬁnir os recursos necessários;

3. Estabelecer limitação de custos;

4. Mensurar a quantidade a ser produzida;

5. Deﬁnir vida e conﬁabilidade esperada;

6. Veriﬁcar as condições ambientais;

7. Estipular limitações dimensionais e de peso;

8. Indicar as restrições relacionadas aos processos de fabricação, ou seja, qualquer variável que limite a liberdade de escolha da equipe de projeto deve ser claramente identiﬁcada na deﬁnição do problema.

Outras informações sobre os aspectos relevantes do problema devem ser procuradas e reunidas nesta fase.

Pode-se fazer os seguintes questionamentos.

Este, ou um problema semelhante, já foi resolvido anteriormente?

Existe solução pronta disponível no mercado ou algo novo deve ser feito?

Existem publicações, patentes ou estudos sobre tecnologias ou produtos semelhantes que possam ser úteis?

Compreender o problema é uma base essencial para projetar um produto de qualidade. “Deﬁnir o problema”

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signiﬁca traduzir os requisitos dos clientes em uma descrição técnica do que precisa ser projetado.

Encontrar o problema “certo” a ser resolvido pode parecer uma tarefa simples; infelizmente, muitas vezes, não é. Além de encontrar o problema certo para resolver, um problema ainda mais difícil e caro para a maioria das empresas é a mudança de especiﬁcações.

Estima-se que 35% de todos os atrasos no desenvolvimento de produtos são causados diretamente por essas mudanças.

Existem três fatores que causam mudanças nas especiﬁcações. Veja quais são eles a seguir:

Primeiro fator

Conforme o processo de projeto avança, mais é aprendido sobre o produto e, portanto, mais funcionalidades podem ser adicionadas.

Segundo fator

Uma vez que o projeto leva tempo, novas tecnologias e produtos ﬁcam disponíveis durante o processo. É uma decisão difícil ignorar isso, tentar incorporar às evoluções ao projeto (ou seja, alterar as especiﬁcações) ou começar tudo de novo (ou seja, decidir que os novos desenvolvimentos eliminaram o mercado para o que você está projetando).

Terceiro fator

Uma vez que o projeto requer tomada de decisão, qualquer mudança na especificação causa uma necessidade de analisar novamente as decisões que dependem dessa especificação. Mesmo uma mudança de especificação aparentemente simples pode causar o redesenho de praticamente todo o produto. A questão é que, quando as mudanças nas especificações se tornam necessárias, elas devem ser feitas de uma maneira controlada e informada.

Enfim, a capacidade de se definir um bom conjunto de especificações de engenharia depende da capacidade da equipe de projeto em definir o problema.

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Na deﬁnição do problema, as necessidades devem ser traduzidas em especiﬁcações ou requisitos de projeto mensuráveis.

Exemplo

Não podemos projetar uma porta de carro que seja “fácil de abrir” quando você não sabe o signiﬁcado de

“fácil”. Essa facilidade desejada é medida pela força, tempo ou o quê? Se a força é o parâmetro crítico, então, o que seria “fácil”? 20 N ou 40 N? A resposta adequada a essa questão faz toda a diferença para o sucesso do produto que será maior, quanto mais cedo a conhecermos.

Síntese e análise e otimização Síntese

Síntese é a fase do processo em que as ideias para atender a uma necessidade ou solucionar um problema são traduzidas em diferentes produtos ou processos com potencial para oferecer soluções para o problema deﬁnido na fase anterior. As diferentes alternativas propostas devem ser avaliadas quanto à solução do problema deﬁnido, considerando os requisitos estabelecidos para o projeto.

Dica

Nesta fase, ferramentas como “brainstorming” são úteis para que a maior variedade de ideias possa ser considerada e avaliada, para que as mais promissoras possam ser selecionadas.

Muitas vezes, mesmo com um grande número de soluções possíveis, é necessário retornar à deﬁnição do problema, ou mesmo à identiﬁcação da necessidade, caso as propostas sejam técnicas ou

economicamente inviáveis.

Análise e otimização

Após a síntese, as soluções propostas devem ser matematicamente modeladas para que possam ser avaliadas quanto ao seu desempenho a ﬁm de serem classiﬁcadas.

Após essa classiﬁcação, as soluções podem ser descartadas ou otimizadas. Veja:

 Desempenho não satisfatório

As alternativas que não apresentem desempenho satisfatório podem ser melhoradas ou descartadas, dependendo da avaliação realizada para cada uma delas.

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 Desempenho satisfatório

Os conceitos que apresentam desempenho satisfatório são submetidos a uma avaliação para identiﬁcação de possível oportunidades de melhoria, isto é, de otimização.

Sendo o desempenho considerado satisfatório, passamos para a etapa de otimização, que se caracteriza por iterações que visam não somente analisar e otimizar um conceito apresentado, como, muitas vezes, retornar à deﬁnição do problema para reﬁnar o conjunto de requisitos. Finalmente, os melhores conceitos são comparados para a escolha daqueles mais competitivos e com maior potencial para a solução do problema.

Síntese, análise e otimização são etapas do processo de projeto intimamente ligadas. Qualquer tipo de deﬁciência ou inadequação na solução proposta identiﬁcada na fase de análise e otimização pode

ocasionar o retorno à síntese para otimização do conceito avaliado ou para a síntese de uma nova solução, o que pode se repetir até que se obtenha uma solução adequada.

Avaliação e apresentação Avaliação

Nesta fase, os protótipos das soluções escolhidas na fase anterior são produzidos e testados. Esta é a avaliação final do projeto e visa certificar que o protótipo testado satisfaz os requisitos estabelecidos. Além disso, durante esta fase, é preciso avaliar se o projeto é produzível, competitivo, economicamente viável, manutenível, confiável, e assim por diante, segundo os critérios de projeto estabelecidos de acordo com a necessidade identificada.

Apresentação

Concluindo o projeto, é necessário que a informação a respeito seja completamente transmitida aos interessados. Essa comunicação é realizada por meio de desenhos, modelos de computador, lista de materiais, instruções de montagem e qualquer outra forma de comunicação que ajude na fabricação e utilização do produto.

Analisando as etapas que foram apresentadas, ﬁca claro que o processo é iterativo, isto é, em qualquer das etapas, pode ser necessário voltar a uma etapa anterior, desde a deﬁnição do problema até a avaliação de novas versões que tenham sido desenvolvidas.

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Vem que eu te explico!

Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou de estudar.

Módulo 1 - Vem que eu te explico!

Identi cação de necessidades e de nição do problema.

Síntese e análise e otimização.

Todos

Introdução - Video

Introdução

Módulo 1 - Video

Fases e iterações no processo de projeto

Falta pouco para atingir seus objetivos.

Vamos praticar alguns conceitos?

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

^Todos ^Introdução ^{Módulo 1} ^{Módulo 2} ^{Módulo 3} ^{Módulo 4}

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Questão 1

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Analise as aﬁrmações abaixo:

( ) Síntese é a etapa do projeto em que os requisitos do projeto são deﬁnidos.

( ) A identiﬁcação de necessidade é simples, pois a descrição da necessidade pode ser simples e vaga.

( ) Desde a identiﬁcação da necessidade até a apresentação do projeto, as etapas são estanques, ou seja, terminada uma etapa, não se deve voltar a ela.

( ) Durante a etapa de deﬁnição do problema, deve-se buscar o maior volume de informações possíveis sobre problemas semelhantes já solucionados.

( ) A etapa de comunicação é aquela em que a campanha de lançamento do produto no mercado é preparada.

Agora, assinale a opção que classiﬁca corretamente as aﬁrmativas acima em verdadeiras (V) e falsas (F).

A F – F – F – V – F

B F – V – F – V – F

C F – F – F – V – V

D V– F – F – V – F

E F – V – V – V – F

Parabéns! A alternativa A está correta.

A primeira alternativa é falsa, pois a síntese é fase do processo em que as ideias para atender a uma necessidade ou solucionar um problema são traduzidas em diferentes produtos ou

processos com potencial para oferecer soluções para o problema.

A segunda aﬁrmativa é falsa, pois, muitas vezes, a necessidade não é clara e evidente. Nesses casos, identiﬁcar e descrever a necessidade é uma tarefa difícil que demanda imaginação,

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criatividade e bom senso, pois a descrição da necessidade deve ser a mais clara e objetiva possível, evitando ser vaga.

A terceira aﬁrmação é falsa, pois o processo de projeto é iterativo, exigindo que se volte a fases anteriores em diversos momentos, a ﬁm de se alcançar uma solução viável.

A quarta e última afirmação é verdadeira. Na fase de definição, o problema deve ser detalhado e todas as informações relevantes, relacionadas ao problema, reunidas. A última alternativa é falsa, pois a fase de comunicação envolve diversas outras atividades, como o envio dos desenhos, especificações, listas de materiais.

Questão 2

Assinale a alternativa CORRETA sobre o processo de projeto.

A O processo de projeto consiste em uma sequência ordenada de etapas em que não deve haver iterações, isto é, concluída uma das fases, não se deve voltar a ela.

B Um projeto tem por ﬁnalidade atender a uma necessidade ou solucionar um problema, seja por meio de um produto ou de um serviço.

C Para análise e otimização, não há necessidade de modelos matemático dos conceitos propostos.

D Na fase de deﬁnição do problema, a comunicação é feita por meio de desenhos, especiﬁcações técnicas, listas de material, manuais de utilização e manutenção.

E Na fase de identiﬁcação da necessidade, são levantadas as informações sobre projetos semelhantes, são identiﬁcadas as restrições e levantados os requisitos do projeto.

Parabéns! A alternativa B está correta.

Um projeto é motivado pela identiﬁcação de uma necessidade que pode ser atendida por um produto ou serviço, de forma que o objetivo do projeto é conceber um produto ou serviço para atender a necessidade.

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2 - Materiais de engenharia

Ao nal deste módulo, você será capaz de identi car os principais materiais de engenharia e comparar suas propriedades.

Vamos começar!

A seleção de materiais nos projetos mecânicos





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A importância da seleção de materiais nos projetos mecânicos

Sistema mecânico ou máquina é uma combinação de peças interligadas por meio de juntas, com

movimento deﬁnido e capaz de desempenhar funções desejadas. O manipulador da imagem a seguir é um exemplo de sistema mecânico.

Manipulador de braço robótico

Princípios científicos, conhecimento técnico e imaginação são usados para desenvolver um sistema mecânico que execute funções específicas com a máxima economia e eficiência. O projeto de sistemas mecânicos requer o conhecimento das ciências básicas e de engenharia, como Física, Matemática, Engenharia Mecânica, Resistência dos Materiais, Termodinâmica e Transferência de Calor, Vibrações, Mecânica dos Fluidos, Metalurgia, Processos de Fabricação e Desenho Técnico.

No projeto de um sistema mecânico, cabe ao projetista determinar o movimento, as forças e a transferência de energia envolvidos, de modo a determinar a geometria do sistema (dimensões e formas) e selecionar os materiais adequados para cada elemento da máquina.

A seleção do material é de fundamental importância em um projeto mecânico, pois, geralmente, os elementos da máquina são projetados com base nas propriedades mecânicas do material – resistência à tração, dureza, rigidez, massa especíﬁca, por exemplo – de modo que sejam capazes de suportar os esforços e as condições do ambiente a que o sistema mecânico será submetido, tais como temperatura, umidade ou atmosfera corrosiva.

Resumindo

O material deve ser selecionado de maneira a garantir que os elementos de máquina do sistema realizarão as funções para as quais foram projetados, nas condições de operação.

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Nesse contexto, é preciso garantir que o material não apresentará deformação ou tensão que exceda os limites admissíveis, não sofrerá desgaste em período de tempo inferior ao previsto no projeto, não sofrerá fluência, flambagem ou falha por fadiga. Em outras palavras, todos os modos de falha possíveis nas condições de utilização do sistema devem ser levados em consideração no momento de selecionar um material. Além das propriedades mecânicas e dos possíveis modos de falha, fatores como peso, custo e confiabilidade devem ser considerados no projeto de um elemento de máquina.

Ao projetar um sistema mecânico, o projetista deverá ter em mente a interação com o ambiente e os demais elementos com os quais um elemento de máquina estiver ligado.

De acordo com Budynas e Nisbet (2016), no projeto da máquina, como em qualquer outro tipo de projeto, não há um procedimento padrão ou regras rígidas a serem seguidos, mas as seguintes etapas são geralmente seguidas:

O problema a ser resolvido ou a ﬁnalidade desejada da máquina é completa e claramente declarada.

Os possíveis mecanismos que fornecerão o movimento ou conjunto de funções desejado são selecionados.

As forças que atuam sobre cada elemento da máquina nas condições de operação são determinadas.

O material mais adequado é selecionado para cada um dos elementos da máquina.

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Ao mesmo tempo em que a geometria está sendo desenvolvida, é importante identiﬁcar materiais e

técnicas de produção e estar ciente dos requisitos de engenharia elencados quando o problema foi deﬁnido.

Seleção de material

Fatores que in uenciam a seleção de material

Ao desenvolver um conceito do produto, podemos ter estabelecido requisitos sobre materiais, fabricação e montagem. No mínimo, ﬁzemos benchmarking a partir de dispositivos similares consagrados, estudando para o que eles foram feitos e como eles foram produzidos.

Essas informações inﬂuenciam a consolidação do produto de várias maneiras, entenda cada uma dessas inﬂuências a seguir.

Os valores admissíveis de tensão e deﬂexão são determinados para cada elemento da máquina, dependendo de seus requisitos materiais e funcionais.

O tamanho e a forma de cada elemento da máquina são determinados para que ele possa suportar as cargas aplicadas sem falhas.

As dimensões dos elementos da máquina são modiﬁcadas considerando os aspectos de fabricação e as funções desempenhadas.

A montagem e os desenhos detalhados da máquina são feitos com especiﬁcação completa dos materiais e dos métodos de fabricação.

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A quantidade do produto a ser fabricado inﬂuencia fortemente a seleção dos processos de

fabricação a serem utilizados. Para um produto que terá apenas um exemplar, o uso de um processo que requer altos custos de ferramentas não se justiﬁca, pois encarecerá demasiadamente o produto.

Como exemplo, podemos citar a moldagem por injeção, processo em que o custo do molde é tão elevado que será o componente determinante para o custo total de produção de qualquer quantidade produzida abaixo de 15.000 peças, via de regra (ULLMAN, 2010).

Uma grande influência na seleção de um material e de um processo de fabricação é o conhecimento de materiais e processos usados previamente para aplicações similares. Esse conhecimento pode direcionar a seleção para escolhas confiáveis, mas pode também obscurecer novas e melhores escolhas. Em geral, sempre priorizando a segurança, especialmente quando o projetista é inexperiente, é melhor ser conservador e seguir os projetos consagrados. Por exemplo, durante décadas, os motores de automóveis eram feitos predominantemente de aço. Ainda hoje, o aço é largamente utilizado na fabricação de motores, mas materiais como o alumínio são cada vez mais empregados a fim de melhorar a eficiência do sistema. Ao estudar os dispositivos mecânicos existentes, adquira o hábito de identificar que tipo de material foi utilizado para cada tipo de função desempenhada. Assim, pode-se reduzir a lista de materiais candidatos para a seleção de uma determinada aplicação.

O conhecimento e a experiência são uma grande inﬂuência na escolha dos materiais e dos

processos de fabricação, pois quanto mais limitados, mais trabalhoso será o processo de seleção. O conhecimento pode ser ampliado incluindo vendedores ou consultores experientes na equipe de projeto.

Quantidade do produto a ser fabricado



Conhecimento de materiais e processos usados



Conhecimento e experiência



Disponibilidade



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Um fator a ser considerado na seleção de um material é sua disponibilidade. Para produtos com previsão de fabricação de poucas unidades, deve-se priorizar materiais disponíveis “na prateleira”, isto é, materiais fabricados rotineiramente devido a sua grande utilização. Devemos sempre

considerar que a seleção de um material especíﬁco com baixa disponibilidade no mercado para um projeto, provavelmente, exigirá uma encomenda mínima ao fabricante, caso contrário, a produção pode não ser economicamente viável para o fornecedor. Por exemplo, materiais metálicos são vendidos, em geral, somente em toneladas. Assim, caso a produção prevista não consuma essa quantidade de material, o custo das peças pode ﬁcar inviável.

Nos casos em que os requisitos do projeto demandam propriedades mecânicas que os materiais

disponíveis no mercado não podem atender, pode ser necessário voltar à etapa de síntese e elaborar um novo conceito, ou até mesmo retornar à fase de deﬁnição do problema, a ﬁm de adaptar o projeto às limitações tecnológicas existentes.

Algumas vezes, durante o projeto de um novo produto, os requisitos não podem ser atendidos com materiais ou técnicas de produção existentes, não importa quantas alterações se faça na deﬁnição do problema ou na geometria do projeto. Essa situação dá origem ao desenvolvimento de novos materiais e processos de fabricação.

Até recentemente, o pensamento de projetar os materiais e processos para atender às necessidades de projeto do produto signiﬁcava adiar o projeto para que o material ou a tecnologia de produção pudesse atingir a maturidade. Entretanto, os recentes avanços no conhecimento de materiais metálicos e plásticos permitiram, até certo ponto, o uso de materiais e processos sob demanda.

Durante o projeto, a especiﬁcação do material e dos processos de produção selecionados evoluirá junto com o projeto, conforme o seguinte ﬂuxo:

Amadurecimento de uma solução.

Deﬁnição de um layout.

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O processo de reﬁnamento do material e técnicas de produção se afasta da ideia abstrata, permitindo uma especiﬁcação cada vez mais detalhada.

Exemplo

Suponha que o material inicialmente escolhido para um componente tenha sido identiﬁcado somente como

"alumínio"; essa seleção deve, agora, ser reﬁnada e pode ser alterada.

O histórico da seleção de material para um componente é:

Essa evolução é típica do que ocorre durante a evolução de um projeto para sua conﬁguração ﬁnal.

Existem diversas estratégias para a seleção de material em um projeto mecânico. Independentemente dos detalhes da estratégia, são observadas as seguintes estratégias.

Função

O material selecionado será condicionado pela função da peça em que será aplicado.

Estabelecimento dos detalhes.

Reﬁnamento de materiais e técnicas de produção.

Alumínio

A seleção de "alumínio" foi reﬁnada para uma liga 2024.

2024

A liga foi modiﬁcada para uma liga diferente, 6061.

6061

A liga foi refinada pela especificação de um tratamento térmico específico, T6.

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Geometria

A geometria da peça é considerada.

Operação

Os esforços aos quais a peça será submetida, sob condições ambientais se dará a operação, a vida esperada da peça.

Peso e dimensão

As limitações de peso e dimensões são consideradas.

Disponibilidade e custo

São analisadas a disponibilidade do material e o seu custo.

Assim, em linhas gerais, será selecionado o material que assegure o funcionamento do sistema mecânico de acordo com os requisitos do projeto levantados durante a fase de deﬁnição do problema, com o menor custo possível. O diagrama a seguir apresenta um resumo esquemático da seleção de material e sua interação com o projeto mecânico.

Note que a geometria (forma), a função e os processos de fabricação inﬂuenciam diretamente na escolha do material. Geometria e função inﬂuenciam diretamente nas tensões no material e a produção, nas suas

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propriedades. Apesar de não aparecer na imagem, as condições ambientais são muito importantes para a decisão dos materiais a serem utilizados.

Exemplo

Suponhamos que estejamos projetando a blindagem de um helicóptero contra tiros de fuzil. Em uma rápida pesquisa, encontramos diferentes metais, cerâmicos e compósitos, como possíveis candidatos à solução do problema. Porém, tendo em vista as restrições de acréscimo de peso à aeronave, apesar de metais e compósitos serem geralmente mais baratos, os compósitos, devido à melhor razão resistência/peso que se pode obter, são a classe de material em que devemos concentrar a busca pela solução mais adequada.

Fica claro, portanto, que, para um mesmo projeto, podemos ter diversos materiais candidatos e alguns mais adequados às restrições do projeto. Nesse contexto, fatores como custo, eﬁciência do sistema, facilidade de fabricação e de manutenção e custo também devem ser considerados para a melhor tomada de decisão.

Utilização dos materiais

Os principais materiais de engenharia

Os principais materiais utilizados nas aplicações de engenharia são os metais, cerâmicos, polímeros e os compósitos (CALLISTER; RETHWISCH, 2016).

Além desses materiais, o grande avanço tecnológico observado nas últimas décadas deu origem aos materiais avançados que, a cada dia, estão mais presentes em nosso cotidiano. Os materiais avançados são os semicondutores, biomateriais, materiais inteligentes e os materiais nanométricos.

Metais

Os metais são compostos, na maioria das vezes, por:

Elementos metálicos

Um ou mais elementos metálicos, como o ferro, alumínio, cobre, titânio, ouro e níquel.

Elementos não metálicos

Pequenas quantidades de elementos não metálicos, como o carbono, nitrogênio, oxigênio.

Além disso, alguns elementos podem ser adicionados a sua composição a ﬁm de adequar alguma propriedade do metal.

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Nos metais, os átomos são arranjados e ligados de maneira muito ordenada, o que confere a essa classe de materiais elevada massa especíﬁca, rigidez e resistência. Adicionalmente são materiais dúcteis e

resistentes à fratura que tornam os metais largamente utilizados em aplicações estruturais. Convém ressaltar que a adição de elementos de liga e os tratamentos térmicos podem ocasionar considerável variação nas propriedades dos metais.

Nas ligações metálicas, os elétrons da camada de valência não estão ligados a um átomo em particular, o que os torna bons condutores de eletricidade e de calor, além de não transparentes à luz visível.

Cerâmicos

Os materiais cerâmicos são divididos em cerâmicos e cerâmicos tradicionais.

Os cerâmicos são formados pela ligação entre elementos metálicos e não metálicos.

Exemplo

Óxido de alumínio (ou alumina, Al₂O₃), o dióxido de silício (ou sílica, SiO₂), o carbeto de silício (SiC), o nitreto de silício (Si₃N₄).

Além deles, há os cerâmicos tradicionais — aqueles materiais compostos por minerais argilosos.

Exemplo

Porcelana, cimento e vidro.

Os materiais cerâmicos apresentam rigidez elevada, alta dureza e resistência. Por outro lado, os cerâmicos são materiais frágeis, ou seja, rompem sem se deformar plasticamente e apresentam elevada

suscetibilidade à fratura.

No entanto, recentemente, os avanços na engenharia de materiais proporcionaram a obtenção de materiais cerâmicos com maior tenacidade à fratura, o que permite a sua utilização como utensílios de cozinha, cutelaria e até em peças de motores.

Os materiais cerâmicos são isolantes térmicos e elétricos, além de resistirem a elevadas temperaturas, pois possuem ponto de fusão elevado.

Polímeros

Os materiais poliméricos com que estamos mais familiarizados são os plásticos e a borracha. Muitos deles são compostos orgânicos, isto é, sua química é baseada no carbono, no hidrogênio e em outros elementos não metálicos.

Exemplo

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Oxigênio (O), Nitrogênio (N) e Silício (Si).

Os polímeros recebem essa nomenclatura, pois são formadas pela repetição de uma unidade formada pela ligação de diferentes elementos químicos, chamada “mero”, que se repete muitas vezes ao longo da

estrutura molecular, formando cadeia de “meros” muito grandes, normalmente tendo o carbono como o principal elemento dessa cadeia.

Exemplo

Dentre os polímeros mais presentes em nossa rotina, destacam-se: o polietileno (PE), o náilon, o cloreto de polivinila (PVC), o policarbonato (PC), o poliestireno (PS), a borracha e o silicone.

A imagem a seguir ilustra a polimerização de um monômero para dar origem ao PVC.

De maneira geral, essa classe de material possui baixa massa específica, enquanto suas propriedades mecânicas são diferentes daquelas dos metais e cerâmicos. Os polímeros não apresentam rigidez ou resistência tão elevada quanto metais ou cerâmicos, mas, como possuem baixa massa específica, muitas vezes a razão entre sua rigidez e sua resistência mecânica em relação à sua massa são comparáveis às dos metais e das cerâmicas. Adicionalmente, muitos dos polímeros são extremamente dúcteis e flexíveis

(plásticos), o que signiﬁca que são facilmente conformados, mesmo em geometrias complexas. Em geral, quimicamente, eles são relativamente inertes.

Compósitos

Muitas vezes, o problema que buscamos solucionar com nosso projeto mecânico demanda um conjunto de propriedades que não podem ser obtidas com a utilização isolada de um metal, cerâmico ou polímero.

Nesse caso, pode ser necessário combinar dois ou mais materiais diferentes, a ﬁm de se obter as propriedades desejadas. Assim, um material compósito é composto por dois (ou mais) materiais, sejam metais, cerâmicos ou polímeros.

O objetivo de projeto de um compósito é, portanto, atingir uma combinação de

propriedades que não é exibida por nenhum material isolado e, também, incorporar

as melhores características de cada um dos materiais que o compõem.

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Alguns materiais compósitos estão presentes na natureza sem a inﬂuência do homem, tais como a madeira e o osso.

Um dos compósitos mais comuns e familiares é a ﬁbra de vidro, na qual uma matriz polimérica

(normalmente um epóxi ou um poliéster) é reforçada por pequenas fibras de vidro. As fibras de vidro são resistentes e rígidas (mas também são frágeis), enquanto o polímero é mais flexível. Dessa forma, o

compósito fibra de vidro resultante é relativamente rígido, resistente e flexível, com baixa massa específica.

A imagem a seguir apresenta ﬁbras de vidro.

Outro material compósito com larga utilização são os polímeros reforçados com ﬁbra de carbono, que apresentam elevada rigidez e resistência.

Os compósitos de polímero reforçado com ﬁbra de carbono são empregados em diversas aplicações, desde materiais esportivos, como bicicletas, até fuselagem de avião. Na foto seguinte, observa-se um para-choque fabricado em polímero reforçado por ﬁbra de carbono.

Vem que eu te explico!

Metais

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Materiais compósitos

Todos

Introdução

Módulo 1 - Video

Falta pouco para atingir seus objetivos.

Vamos praticar alguns conceitos?



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Questão 1

Assinale a aﬁrmativa CORRETA sobre a seleção de materiais para um projeto mecânico.

A A forma da peça, ou elemento de máquina é irrelevante para escolha dos materiais a serem selecionados.

B Uma peça que possua resistência adequada, pode ser utilizada em um projeto mecânico, independentemente de seu peso.

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C As condições ambientais de utilização de um sistema mecânico, como umidade e temperatura restringem as opções de material para um projeto.

D A quantidade de peças a serem produzidas não afeta a decisão sobre o material selecionado.

E O material selecionado não inﬂuencia a escolha do processo de fabricação de uma peça.

Parabéns! A alternativa C está correta.

O material selecionado deve atender a todas às restrições identiﬁcadas na deﬁnição do problema.

Parâmetros como temperatura e umidade afetam as propriedades dos materiais e, portanto, devem ser considerados para a seleção adequada do material.

Questão 2

Uma empresa está desenvolvendo um veículo espacial para viagem à Lua. Dentre os requisitos do projeto, sobre a parte externa do módulo de reentrada na atmosfera da Terra, consta “possuir elevada resistência à temperatura”. Considerando tal requisito, qual é a classe de material mais adequada para a aplicação?

A Metais

B Cerâmicos

C Polímeros

D Compósitos

E Madeira

(27)

3 - Projeto mecânico X produção

Ao nal deste módulo, você será capaz de identi car os fatores econômicos, estabelecendo relação com diversos aspectos e viabilidade técnico-econômica de um projeto.

Vamos começar!

Impacto de variáveis de projeto no seu custo

Parabéns! A alternativa B está correta.

Os materiais cerâmicos, devido à natureza das ligações químicas entre os elementos que o compõem, possuem resistência a altas temperaturas.





(28)

Economia e o projeto mecânico Custos de um projeto mecânico

Todo projeto, mecânico ou não, está intimamente ligado à economia. Desde os recursos necessários à contratação da equipe de projeto até a logística de distribuição do produto ou à prestação de um serviço, a economia balizará o andamento e a viabilidade do projeto.

Em se tratando de um projeto mecânico, a consideração econômica mais evidente é o custo da matéria- prima. No entanto, há vários outros fatores que devem ser considerados, nem todos tão evidentes.

Exemplo

A fatia de mercado a que se destina o produto condicionará o custo ﬁnal, inﬂuenciando uma série de decisões do processo de projeto, desde a matéria-prima, passando pelos processos de fabricação, durabilidade, dentre outros.

A imagem a seguir ilustra como diferentes fatores inﬂuenciam o custo de um projeto mecânico até o produto acabado.

O custo de fabricação é determinante para o sucesso econômico de um produto. Em termos simples, o sucesso econômico depende de dois fatores apresentados a seguir.

Margem de lucro obtida em cada venda do produto

A margem de lucro é a diferença entre o preço de venda do fabricante e o custo de fabricação do produto. É importante levar em consideração a margem de lucro que é obtida na venda de cada unidade vendida.

(29)

Quantidade de unidades que podem ser vendidas

O número de unidades vendidas e o preço de venda são, em grande parte, determinados pela qualidade ﬁnal do produto e depende do que o mercado está disposto a comprar a um dado preço.

O sucesso econômico do projeto consiste, portanto, em garantir a qualidade necessária ao produto, minimizando, ao mesmo tempo, o custo de fabricação. Um método para alcançar esse objetivo é o projeto para a manufatura (DFM – Design for Manufactoring) que consiste, resumidamente, em considerar os impactos das decisões do processo de projeto no processo de fabricação desde as etapas iniciais.

A prática efetiva do DFM leva a baixos custos de fabricação sem sacriﬁcar a qualidade do produto. A seguir, serão apresentados os fatores que afetam o custo de um projeto mecânico e devem ser levados em

consideração para garantir o menor custo de fabricação.

Equipe de projeto

A formação da equipe de projeto pode ser um fator determinante não só para o sucesso de um projeto como para o seu custo. Assim, a equipe deve ser formada pelo menor número de proﬁssionais, suﬁcientes para abordarem os diferentes domínios do conhecimento envolvidos no projeto, o que dependerá da complexidade do sistema mecânico projetado.

Por exemplo, espera-se que a equipe de projeto de um avião envolva um número muito maior de pessoas que a equipe de projeto de uma bicicleta, não pelo tamanho do sistema em si, mas pelos diferentes níveis de complexidade. Veja a diferença entre esses dois tipos de projeto a seguir.

Projeto de avião

Para o projeto de um avião, necessitamos de conhecimentos de aerodinâmica, materiais, eletrônica, telecomunicações, atuadores, motores, vibrações e acústica, dentre outros, o que, muito

provavelmente, demandará a formação de um time multidisciplinar.



(30)

Projeto de bicicleta

Para o projeto de uma bicicleta, um engenheiro mecânico com bom conhecimento de resistência dos materiais e elementos de máquinas pode ser o suﬁciente. Além disso, a equipe desse tipo de projeto é mais barata que a do projeto do avião.

Matéria-prima

A escolha dos materiais a serem utilizados no projeto do sistema mecânico também exerce grande

inﬂuência nos custos. O material escolhido deve, prioritariamente, possuir as propriedades mecânicas que possibilitem ao sistema exercer a função para a qual foi projetado de forma segura e de acordo com os requisitos do projeto. Por outro lado, devemos priorizar materiais que possuam elevada disponibilidade no mercado, visto que esses tendem a ter custos menores. Assim, havendo mais de um material que possa atender aos requisitos do projeto, sob a ótica econômica, devemos escolher aquele de menor custo de obtenção.

Exemplo

Uma bicicleta pode ter a sua estrutura feita em alumínio ou fibra de carbono. Se uma bicicleta se destina ao mercado em geral, em que o custo tem maior influência do que o peso da bicicleta, a escolha pelo alumínio seria a mais adequada, enquanto o custo será bem inferior ao da bicicleta de fibra de carbono.

Não podemos nos esquecer de que esses materiais passarão por diferentes etapas de fabricação, de maneira que o processo produtivo necessário para a obtenção da geometria ﬁnal da peça também deve ser considerado na composição do custo.

Processo de fabricação

A seleção das matérias-primas, as propriedades físicas e mecânicas desejadas do material e a quantidade a ser produzida orientam o processo de fabricação da peça.

Exemplo

(31)

Se fabricamos uma peça em aço cuja função no sistema demande elevada dureza, pode ser necessário realizar o processo de cementação da peça, o que encarecerá o processo produtivo. Outro exemplo: se usamos a solda como método de ﬁxação de peças de um sistema produzido em aço de difícil soldabilidade, o processo de solda que deverá ser realizado será mais dispendioso do que o processo para soldar aços com melhor soldabilidade.

Além disso, o processo produtivo pode demandar a compra de máquinas e o desenvolvimento de ferramentas, o que, certamente, impactará os custos de produção. A quantidade de sistemas a ser

produzida também tem forte inﬂuência sobre o processo produtivo. Certos métodos de fabricação, como a moldagem por injeção, são economicamente vantajosos somente para um grande número de peças fabricadas, devido ao elevado custo das matrizes.

A tolerância de fabricação também tem um grande efeito no custo. As tolerâncias envolvem:

A variação dimensional;

O acabamento superﬁcial (rugosidade);

As variações das propriedades mecânicas resultantes de tratamento térmico;

Outras operações de processamento.

Portanto, a tolerância é um fator determinante na deﬁnição do processo de fabricação e dos custos associados.

A deﬁnição de tolerâncias exageradamente apertadas para uma peça pode exigir a inclusão de etapas adicionais no processo produtivo e na inspeção, o que pode, até mesmo, inviabilizar economicamente a produção da peça. Como as peças com grandes tolerâncias podem, muitas vezes, ser produzidas por máquinas com taxas de produção mais altas (máquinas que produzem mais peças por unidade de tempo), os custos serão signiﬁcativamente menores. Além disso, geralmente, menos peças desse tipo serão rejeitadas nos processos de inspeção, além de serem montadas com maior facilidade.

A imagem a seguir ilustra o processo automatizado de soldagem em uma das etapas de fabricação de um automóvel.

(32)

Outros custos

Há outros custos que impactam o projeto que devem ser considerados, como os de serviço de apoio à produção (limpeza, água, pessoal do setor administrativo), da energia consumida, da locação da área em que a fábrica está instalada, dentre outros.

Esses custos são afetados pelos fatores a seguir.



Localização da fábrica.



Salário mínimo.



Qualiﬁcação da mão de obra.



Integração com as cadeias produtivas.

Assim, estimar o custo de um projeto não é tarefa simples e será facilitada pela experiência dos membros da equipe de projeto, de quem dependerá a capacidade de prever os custos a serem considerados.

Estratégias para a redução do custo de um projeto

Dentre as estratégias que podem ser adotadas para a redução dos custos de um projeto, destacam-se:

Componentes padronizados

(33)

Sempre que possível, deve-se dar preferência à utilização de componentes padronizados disponíveis “na prateleira”. Assim como no caso dos materiais, a grande disponibilidade desses componentes reduz o custo de produção.

Dica

Fique atento na especiﬁcação de componentes com grande procura no mercado, pois podem ter baixa disponibilidade e custo mais elevado, mesmo que sejam padronizados.

Além disso, a padronização de componentes colabora para a intercambiabilidade, facilitando a manutenção.

A opção por peças e componentes personalizados para um projeto especíﬁco envolverá muito dos custos aqui tratados (praticamente um projeto especíﬁco), o que pode inviabilizar o projeto.

É importante salientar que essa padronização pode ocorrer internamente à organização, como, por exemplo, uma montadora que use o mesmo espelho retrovisor para todos os modelos de veículos fabricados, ou pode se dar para o mercado como um todo, como no caso da utilização de um perﬁl de viga metálica para construção civil, que pode ocorrer para diferentes empresas.

Redução do número de peças

Via de regra, ao reduzirmos o número de peças de um sistema, reduzimos a sua complexidade e facilitamos a sua montagem, o que contribui para a redução dos custos de produção (o custo de montagem impacta o custo total de produção). Além disso, é muito provável que se reduza o número de operações necessárias à obtenção da peça, o que também contribui para a redução dos custos.

Projeto auxiliado por computador

A utilização de ferramentas computacionais de modelagem e simulação contribuem para a redução dos custos do projeto, ao proporcionarem a possibilidade de testar diferentes soluções sem a necessidade da produção do protótipo.

Saiba mais

Os programas de computador de desenho (especialmente os 3D) possibilitam simular a montagem do sistema, os de análise estrutural possibilitam avaliar se as peças resistirão aos esforços previstos, e os de dinâmica multicorpos, avaliar os esforços sobre as peças e se o movimento previsto será executado conforme planejado.

Dessa forma, é possível reduzir o número de conceitos a serem fisicamente implementados, testados e avaliados, reduzindo significativamente o retrabalho e os custos. Além disso, definida a solução a ser implementada, a integração das ferramentas de projeto auxiliado por computador (CAD – Computer Aided Design) e de manufatura auxiliada por computador (CAM – Computer Aided Manufacturing) geram um

(34)

processo otimizado e eﬁciente, reduzindo as perdas. Finalmente, as técnicas de modelagem e simulação possibilitam adequar o fator de projeto, que desempenha papel relevante no custo ﬁnal.

Vem que eu te explico!

DFM – Design for Manufactoring

Ferramentas de modelagem e simulação

Todos

Introdução

Módulo 1 - Video







(35)

Falta pouco para atingir seus objetivos.

Vamos praticar alguns conceitos?

Questão 1

Assinale a aﬁrmativa CORRETA em relação à redução dos custos de um projeto.

A A equipe de projeto deve ser constituída por pessoas do maior número possível de áreas do conhecimento, a ﬁm de estudar todos os impactos do projeto.

B O maior número possível de conceitos deve ser produzido e testado para garantir o sucesso do projeto.

C A utilização de componentes padronizados aumenta os custos do projeto.

D

As ferramentas de modelagem e simulação reduzem os custos do projeto ao permitirem avaliar as possíveis soluções sem a necessidade de implementação física do protótipo, reduzindo a necessidade de testes.

E A quantidade a ser produzida não tem impacto sobre o custo de fabricação.

Parabéns! A alternativa D está correta.

Os programas de computador permitem simular a montagem, o funcionamento e o carregamento da estrutura, possibilitando descartar conceitos de difícil montagem, que não realizem os

movimentos planejados ou que apresentem níveis de tensão acima da tensão admissível, reduzindo os custos de produção de protótipos, testes e avaliação.

Questão 2

Assinale a aﬁrmativa correta com relação aos custos de um projeto.

A

A escolha da matéria-prima sempre tem impacto reduzido no custo do projeto mediante

(36)

os demais custos envolvidos.

B A escolha da matéria-prima não tem inﬂuência sobre o processo de fabricação.

C O processo de fabricação é deﬁnido de acordo com a disponibilidade e não tem relação com o material selecionado.

D O custo de produção será sempre menor para um menor número de peças.

E Quanto menores as tolerâncias de fabricação, maior o custo de produção.

Parabéns! A alternativa E está correta.

A tolerância de fabricação inﬂuencia o custo de fabricação, pois, geralmente, tolerâncias mais apertadas resultam em menor velocidade de produção e podem demandar etapas adicionais no processo de fabricação.



(37)

4 - Fatores de projeto e segurança

Ao nal deste módulo, você será capaz de reconhecer o conceito de fator de projeto e fator de segurança em um projeto mecânico.

Vamos começar!

Fator de projeto, incerteza e fator de segurança

Fator de projeto e fator de segurança



(38)

Quando um engenheiro ou uma equipe projetam uma aeronave, ponte, navio, veículo, ou qualquer sistema mecânico, deve evitar uma situação de falha. Uma estrutura deve ser capaz de suportar as tensões

causadas pelos carregamentos a ela impostos. Por uma questão de segurança, o engenheiro ou a equipe de projetos deve considerar em seus cálculos cargas maiores do que as previstas; muitos sistemas são

propositadamente construídos com muito mais resistência do que o necessário para uso normal para garantir o funcionamento adequado em situações extraordinárias em que ocorram cargas inesperadas, uso indevido ou degradação inesperada.

É por isso que um projetista deve buscar a resposta para as seguintes perguntas:

Qual é a carga que o sistema deve suportar em serviço normal?

Qual carga provocará uma deformação permanente?

Qual é a carga máxima admissível para o sistema?

Ao procurar as respostas para essas perguntas, é necessário definir termos como Fator de Projeto e Fator de Segurança. Ainda que, muitas vezes, os termos sejam usados como se tivessem o mesmo significado, há uma distinção entre os dois. A seguir, serão apresentadas as definições de fator de projeto e fator de segurança, permitindo-nos identificar a diferença entre eles e como e quando utilizá-los.

Fator de projeto

O projeto mecânico clássico se baseia nas propriedades mecânicas dos materiais que, muitas vezes, são tabeladas para os materiais mais usados nos projetos. São eles:

É o módulo de elasticidade ou módulo de Young.

É o módulo de cisalhamento.

É o coeﬁciente de Poisson.

(39)

É a resistência ao escoamento.

É o limite de resistência à tração.

Além dessas, existem outras propriedades dos materiais, que podem ser encontrados na literatura.

Devemos questionar:

Esses valores são exatos?

São os mesmos para um dado material, independentemente do fabricante?

Existe uma incerteza associada a eles?

De fato, os valores tabelados são valores médios dessas propriedades e há uma incerteza associada a eles, ou seja, na verdade, existe uma elevada probabilidade (geralmente trabalha-se com 95%) de que o valor da propriedade esteja contido em uma faixa de valores, cujo valor médio é aquele tabelado.

Saiba mais

Essa faixa será maior quanto maior a incerteza dessa propriedade.

Assim, ao utilizar alguma propriedade durante o projeto, o projetista (ou sua equipe) estabelece um fator de projeto ( ). Esse fator é estabelecido com base na experiência do projetista, nas recomendações de organizações, associações ou normas técnicas e tem como ﬁnalidade garantir a segurança do projeto em face da incerteza associada às propriedades mecânicas e das hipóteses simpliﬁcadoras adotadas ou de condições de emprego muito diferentes das usuais.

O fator de projeto é deﬁnido para uma aplicação e não é realmente calculado.

Saiba mais

Geralmente o fator de projeto é fornecido com antecedência e deﬁnido por código regulatório ou política.

Para o projeto de um elemento mecânico, o valor máximo admissível da tensão considerada para o material (propriedade do material - S) é dividido por , obtendo a tensão de projeto . Como o fator de projeto visa proporcionar segurança, o seu valor deve ser maior do que 1.

A equação a seguir mostra a relação entre a propriedade do material, o valor admissível para o projeto e o fator de projeto.

n

d

n

d

n

_d

σ

(40)

Rotacione a tela.

Onde:

é a propriedade do material;

é a tensão de projeto admissível no material oriunda das condições de carregamento do sistema.

O valor desses itens pode ser calculado da seguinte forma:

O valor de também pode ser interpretado como o valor limite a partir do qual o sistema mecânico deixará de cumprir a função para a qual foi projetado, isto é, é o valor de perda de função. Esse valor dependerá da propriedade considerada.

O valor de será calculado segundo os carregamentos impostos ao sistema. A propriedade considerada e a tensão calculada deverão ter a mesma natureza e unidades, ou seja, se a tensão calculada é de tração e medida em MPa, a propriedade utilizada deverá ser o limite de resistência à tração ou o limite de escoamento em MP.

Se calcularmos a tensão de cisalhamento, a propriedade considerada será o limite de resistência ao cisalhamento, e se a fadiga é o modo de falha de interesse, o fator de projeto será calculado com base no limite de resistência à fadiga do material.

A deﬁnição de um fator de projeto para projetos de máquinas pode se basear na qualidade e disponibilidade de dados adequados sobre as propriedades dos materiais, nas condições ambientais esperadas em

comparação com aquelas nas quais os dados de teste do material foram obtidos, bem como na precisão dos modelos de solicitação e de tensão desenvolvidos para análises.

A tabela a seguir mostra um exemplo de recomendação de fatores de projeto recomendados para materiais dúcteis que serão escolhidos com base no conhecimento ou julgamento do projetista sobre a qualidade das informações utilizadas no projeto.

Informações disponíveis Qualidade das informações Fator de projeto recomendado

σ = S n

d

S σ

S

σ

(41)

Informações disponíveis Qualidade das informações Fator de projeto recomendado Dados das propriedades dos

materiais disponíveis a partir de testes

O material realmente utilizado foi

testado. 1,3

Dados representativos de testes do

material estão disponíveis. 2

Dados razoavelmente representativos de testes do material estão

disponíveis.

3

Dados insuﬁcientemente

representativos de testes do material estão disponíveis

5+

Condições ambientais de utilização

São idênticas às condições dos testes

de materiais. 1,3

Essencialmente igual ao ambiente de

um laboratório comum 2

Ambiente moderadamente desaﬁador 3

Ambiente extremamente desaﬁador 5+

Modelos analíticos para cálculo do carregamento e tensões

Os modelos foram testados em

experimentos. 1,3

Os modelos representam

precisamente o sistema. 2

Os modelos representam

aproximadamente o sistema. 3

Os modelos são aproximações

grosseiras. 5+

Tabela: Recomendação de fatores de projeto Adaptado de de NORTON, 2013, p.19.

(42)

Fator de segurança

Ao lidarmos com os cálculos de uma peça ou elemento de um sistema mecânico, é comum ouvirmos falar em fator de projeto e fator de segurança. Mas há diferença entre eles? Sim, apesar de ser muito comum vermos a utilização dos termos com o mesmo signiﬁcado.

Esse termo descreve a capacidade estrutural de um sistema além das cargas esperadas ou cargas reais.

Basicamente, de maneira simples, pode ser entendido como o quão mais forte o sistema é do que precisaria ser para o nível de carregamento a que será submetido nas condições de operação. O fator de segurança

é calculado pela expressão a seguir:

Rotacione a tela.

Onde:

é a propriedade do material;

é a tensão no material oriunda das condições de carregamento do sistema.

Na prática, quando dimensionamos um material com base no limite de uma propriedade do material modiﬁcado pelo fator de projeto, frequentemente encontramos dimensões diferentes das dimensões padronizadas disponíveis no mercado. Assim, ao escolhermos a dimensão padronizada (recomenda-se a escolha do valor disponível imediatamente superior ao calculado), temos que recalcular o valor da tensão na nova conﬁguração geométrica. A razão entre o valor do limite da propriedade do material (propriedade tabelada) e a tensão recalculada, considerando as novas dimensões, é o fator de segurança. Portanto, podemos entender o fator de projeto como aquele incialmente arbitrado pelo projetista para os cálculos do dimensionamento do sistema. O fator de segurança, por sua vez, é aquele que resulta dos arredondamentos e das decisões dos projetistas quanto ao dimensionamento.

Em suma, o fator de projeto é utilizado para calcular a configuração geométrica do sistema mecânico e o fator de segurança é calculado com base na configuração geométrica final do sistema, levando em conta os arredondamentos e as decisões do projeto na etapa do dimensionamento.

Exemplo (n

s

)

n

_s

= S σ

S

σ

(43)

Se, ao calcularmos o diâmetro de uma barra de aço submetida a esforços de tração, encontrarmos o valor de 0,47” e tivermos barras disponíveis no diâmetro de 1/2”, especiﬁcaremos o diâmetro de 1/2” para o projeto e calcularemos o fator de segurança considerando esse diâmetro.

Para cada modo de falha (carregamento estático ou dinâmico, por exemplo), temos um fator de segurança diferente. Consideraremos como o modo de falha de maior atenção aquele que possui o menor fator de segurança, pois, nesse caso, o carregamento imposto ao sistema mecânico está gerando tensões mais próximas ao valor limite para o material.

É importante termos em mente que a de nição do fator de projeto e do fator de segurança resultante é essencial para a viabilidade do projeto.

Em face das incertezas envolvidas no dimensionamento, o fator de projeto é fundamental para garantir a segurança do sistema mecânico nas condições de operação. Por outro lado, a escolha de fatores de projeto exageradamente elevados pode encarecê-lo demasiadamente. Portanto, a experiência, as recomendações de normas (por exemplo, ABNT), associações (por exemplo SAE, ASME) e o estudo de projetos semelhantes são o caminho para que se arbitre um fator de projeto adequado.

Vem que eu te explico!

Fator de projeto

Fator se segurança e relação com o fator de projeto



(44)

Todos

Introdução

Módulo 1 - Video

Falta pouco para atingir seus objetivos.

Vamos praticar alguns conceitos?





Questão 1

Assinale a aﬁrmativa CORRETA.

A A deﬁnição do fator de projeto deve considerar a experiência e recomendações de normas técnicas e associações proﬁssionais ou de fabricantes.

B Fator de segurança e fator de projeto são maneiras diferentes de se referir a um mesmo parâmetro do projeto.

C Como as propriedades dos materiais são tabeladas, não há incerteza associada a esses valores.

D O fator de projeto é calculado após o dimensionamento do sistema, considerando os arredondamentos e as decisões de projeto.

(45)

E O fator de segurança não tem qualquer relação com o custo de um projeto.

Parabéns! A alternativa A está correta.

Para a deﬁnição de um fator de projeto adequado que não inviabilize a sua implementação, é importante que o projetista e/ou sua equipe tenham experiência em projetos similares. Além disso, várias normas técnicas e documentos técnicos de associações de proﬁssionais ou de fabricantes fazem recomendações sobre fatores de projetos para diferentes condições de operação do sistema, materiais e outras condições de contorno.

Questão 2

Durante o dimensionamento de uma barra de aço circular com limite de resistência à tração tabelado de , o projetista calculou que a barra deveria ter um diâmetro de , resultando em uma tensão de tração . Como existem barras de seção circular de de diâmetro

disponíveis, o projetista recalculou a tensão na barra para esse valor de diâmetro e obteve . Para a situação descrita assinale a alternativa correta.

S

y

= 165MP a 1, 43 cm

σ = 55MP a 1, 50 cm

σ = 50MP a

A O fator de projeto utilizado foi

B O fator de segurança resultante foi

C O fator de segurança utilizado foi

D O fator de projeto resultante foi

E O fator de segurança escolhido foi

Parabéns! A alternativa B está correta.

O fator de segurança é calculado com base na tensão resultante dos arredondamentos e decisões de projeto. Para o cálculo do valor do fator de segurança, devemos utilizar a equação

n

s

=

^s_σ

=

¹⁶⁵₅₀

= 3, 3.

.

(46)

Considerações nais

Como vimos, ao longo deste conteúdo, o projeto mecânico é um processo que resulta em um sistema mecânico, visando atender a uma necessidade ou resolver um problema. Esse processo demanda conhecimento em diferentes áreas da engenharia mecânica, de matemática e de gestão, muitas vezes demandando a formação de uma equipe de projeto multidisciplinar. Vimos que, apesar de termos como meta a maior eﬁciência possível ao longo do processo do projeto, a iteratividade é uma característica marcante, especialmente quando projetamos sistemas mais complexos.

Identificamos os principais materiais de engenharia utilizados nos projetos mecânicos, assim como avaliamos qualitativamente as suas principais propriedades. Verificamos a influência da seleção dos materiais nos processos produtivos, e vice-versa, relacionando materiais e processos ao custo do projeto.

Ainda sobre os custos, identificamos fatores e decisões do projeto que influenciam essa importante variável de viabilidade. Apresentamos o conceito de fator de projeto, salientando sua relação com as incertezas associadas às propriedades dos materiais e às hipóteses simplificadoras adotadas. Finalmente, mostramos como o fator de segurança se relaciona ao fator de projeto por meio das tomadas de decisão ao longo do processo de projeto.

Podcast

Agora, o especialista Carlos Frederico de Matos Chagas encerra o tema falando sobre os principais tópicos abordados.





(47)

Referências

BUDYNAS, R. G.; NISBET, J. K. Elementos de máquinas de Shigley. 10. ed. Porto Alegre: AMGH, 2016.

NORTON, R. L. Projeto de máquinas: uma abordagem integrada. 4. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013.

ULLMAN, D. G. The mechanical design process. 4. ed. Nova York: McGraw Hill, 2010.

URICH, K. T; EPPINGER, S. D. Product design and development. 6. ed. Nova York: McGraw Hill, 2016.

WILLIAN, D. C.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia dos materiais: uma introdução. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.

Explore +

Assista ao ﬁlme Máquina de Guerra (Pentagon War – 1998).

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