ANÁLISE DA VIABILIDADE DO EMPREGO DE SISTEMAS CAD/CAM NA
FABRICAÇÃO DE CAVIDADES PARA MOLDES DE INJEÇÃO EM
PLATAFORMA PC COM ESTUDO DE CASOS
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA A UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA
CATARINA •
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA
MECÂNICA
WAGNER SOUZA CORREA
WAGNER SOUZA CORREA
ESTA DISSERTAÇÃO FOI JULGADA ADEQUADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE
MESTRE EM ENGENHARIA
ESPECIALIDADE ENGENHARIA MECÂNICA, ÁREA DE CONCENTRAÇÃO EM FABRICAÇÃO, APROVADO EM SUA FORMA FINAL PELO CURSO DE PÓS-
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA.
Prof. Aureo Campos Ferreira, Ph.D.
PRESIDENTE
Prof. Carlos Henrique Ahrens, Dr. Eng. Mec.
SUMARIO
LISTA DE TABELAS ... VIII
LISTA DE FIGURA.S ... ... X
GLOSSÁRIO DE SIGLAS... IX
RESUMO ...XVI
ABSTRACT... XVII
1. INTRODUÇÃO ... .1
1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS...1 1.2 OBJETIVOS DO TRABALHO...41.3 A ESCOLHA DOS SOFTWARES CAD/CAM EM PLATAFORMA P C ... .5
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO...6
2. CONSIDERAÇÕES SOBRE TÉCNICAS DE AUXÍLIO A CONFECÇÃO
DE MOLDES... ... 8
2 .1 INTRODUÇÃO . ... 8
2.2 TÓPICOS RELATIVOS À MANUFATURA DE CAVIDADES, MACHOS E ELETRODOS... 11
2.2.1 Usinagem em máquinas C N C ... 11
2.2.3 Fresamento simultâneo em 3 e 5 eixos... 14
2.2.4 Eletroerosão... 17
2.2.5 Manufatura de eletrodos para E D M ... 23
2.3 NOVOS PROCESSOS QUE AUXILIAM A MANUFATURA DO MOLDE...24
2.3.1 Processos de Prototipagem Rápida... .24
2.3.2 Usinagem em Alta Velocidade (HSM)... .2 6 2.3.3 Automatização do Polimento de moldes... .28
2.3.4 Avanços no controle de qualidade de moldes... .30
3.
ANÁLISE DOS
RECURSOS UTILIZADOS EM SOFTWARES
CAD/CAM PARA OPERAÇÕES DE FRESAMENTO DE SUPERFÍCIES
ESCULTURAIS... 33
3.1 INTRODUÇÃO... 33
3.2 A ESCOLHA DO TIPO DE SISTEMA CAD/CAM... 34
3.3 TIPOS DE MODELADORES GEOMÉTRICOS PARA SISTEMAS CAD/CAM___37 3.3.1 Modelamento de curvas e superficies... 38
3.3.2 Modelamento de sólidos... 40
3.4 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE OFFSETS DE CURVAS E SUPERFÍCIES... 43
3.4.1 Métodos de geração de offsets em superficies... .46
3.4.2 Determinação do comprimento do passo de usinagem...52
3.4.3 Distância entre passes... .56
3.4.4 Interferência na usinagem (gouge) ... .58
4. APRESENTAÇÃO DO ESTUDO DE CASOS UTILIZANDO UM
SISTEMA CAD/CAM NA FABRICAÇÃO DE CAVIDADES PARA MOLDES
DE INJEÇÃO EM PLATAFORMA PC... 63
4.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS... 63
4.2 CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS SOFTWARES DE CAD/CAM UTILIZADOS
NO TRABALHO... 64
4.3 0 HARDWARE EMPREGADO NO TRABALHO... 66
4.4 METODOLOGIA ADOTADA PARA 0 ESTUDO DE CASOS... 67
4.5 A ESCOLHA DAS PEÇAS A SEREM ANALISADAS... 7 0
4.5.1 Peça 0 1 ... 71 4.5.2 Peça 0 2 ... 7 6 4.5.3 Peça 0 3 ... 80
5. ANÁLISE DOS RESULTADOS E PROBLEMAS ENFRENTADOS
___ 83 5.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS... 835.2 ANÁLISE DO SOFTWARE DE CAD EMPREGADO NA CONSTRUÇÃO DOS PERFIS83
5.3 ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DA INTERFACE... 84
5.4 ANÁLISE DOS RESULTADOS DA GERAÇÃO DOS OFFSETS NO SOFTWARE DE
CAM . 86
5.4.1 Operação de desbaste das cavidades e machos... 8 6
5.4.2 Operação de acabamento das cavidades e machos... 8 9
5.6 PROBLEMAS GERAIS ENFRENTADOS E SUGESTÕES PARA MELHORAR A
PRODUTIVIDADE DOS SOFTWARES DE CAD/CAM... 97
5.7 GEOMETRIA DE PEÇAS PARA PLATAFORMA PC E A PROPOSTA DE UM MODELO DE SISTEMA CAD/CAM... ... 99
6. CONCLUSÃO... .102
6.1
SISTEMAS CAD/CAM - CONSIDERAÇÕES FINAIS... .102
6.2
TREINAMENTO DE PESSOAL...105
6.3
SUGESTÕES PARA CONTINUIDADE DO TRABALHO... .106
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - Vantagens e desvantagens de alguns processos de
fabricação de moldes, segundo (MENGES; MOHREN, 1991) e
(FERNANDES, 1991)... 9 TABELA 2 - Uma comparação entre fresamento simultâneo em 3 e 5 eixos segundo (GAO; HARRISON; DAVIS, 1989)... 16 TABELA 3 - Consumo anual percentual de máquinas EDM por penetração nos paises industrializados (SHANAHAM, 1993) ... 21 TABELA 4 - Dados de entrada para a geração das trajetórias e os tamanhos dos programas gerados no desbaste da Peça 01... 72 TABELA 5 - Dados de entrada para a geração das trajetórias e os tamanhos dos programas gerados no acabamento da Peça 01...75 TABELA 6 - Dados de entrada para a geração das trajetórias e os
tamanhos dos programas gerados no desbaste da Peça 02... 7 6
TABELA 7 - Dados de entrada para a geração das trajetórias e os
tamanhos dos programas gerados no acabamento da Peça 02... 7 8
TABELA 8 - Dados de entrada para a geração das trajetórias e os tamanhos dos programas gerados no desbaste da Peça 03... 80 TABELA 9 - Dados de entrada para a geração das trajetórias e os tamanhos dos programas gerados no acabamento da Peça 03... 81 TABELA 10 - Tempo de processamento e tamanho de programa de uma superfície da Peça 01... 96
TABELA 11 - Resultados dos tamanhos de programas e tempos de
processamento obtidos com a variação do incremento de
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - Um exemplo que ilustra a diferença nos tempos de usinagem comparando o fresamento simultâneo em 3 e 5 eixos (GAO; HARRISON; DAVIS, 1989)... 15
FIGURA 2 - Comparação entre o fresamento simultâneo em 3 e 5
eixos para superficies côncavas (GAO; HARRISON; DAVIS, 1989).. 17 FIGURA 3 - Metodologia empregada pelo setor de moldes para a
fabricação de cavidades, que utiliza o fresamento para o
desbaste e a EDM para realizar os detalhes (SHANAHAN, 1993)... 18
FIGURA 4 - Exemplo de superficie regrada (Ruled surface)... 19
FIGURA 5 - Exemplo de dois tipos de sistemas construtivos
empregados em sistemas CAD/CAM (SUZUK; KORESAWA; SAKAMOTO,
1993)... 35 FIGURA 6 - Exemplos de superficies esculturais segundo (POINT CONTROL, 1991)... 41 FIGURA 7 - Exemplos dos modeladores de sólidos normalmente
usados em softwares CAD/CAM (REQUICHA; VOELCKER, 1982)... 42
FIGURA 8 - Problemas comuns em offsets de curvas segundo (PHAM,
1992)... 44 FIGURA 9 - Métodos normalmente usados para guiar a ferramenta sobre a superfície da peça (CHOI et al, 1988)... 47 FIGURA 10 - Exemplo de pontos CL e CC (TAN, SE, WONG, 1990)... 48
FIGURA 11 - Método Paramétrico (CHOI et al, 1988)... 49
FIGURA 12 - Interferências que normalmente ocorrem em
superfícies esculturais (CHOI et al, 1988)... 50
FIGURA 13 - Método do Offset Inverso (Suzuk; Koresawa; Sakamoto,
1993)... 51 FIGURA 14 - Exemplos dos tipos de interpolações utilizadas nos softwares de CAD/CAM e nos comandos das máquinas CNC, segundo (KIEF; WATERS, 1992)... 53 FIGURA 15 - Exemplos de tolerâncias nos passos de usinagem
(POINT CONTROL, 1991)... 54 FIGURA 16 - Definição do passo por círculos e o erro causado
(CHOI et al, 1988), (HWANG, 1992)... 56 FIGURA 17 - Exemplo da altura de crista e intervalo entre trajetória (CHOI, 1988)... 57 FIGURA 18 - Relação entre o tipo de superfície e a interferência da ferramenta, segundo (CHOI; JUN, 1989)... 60 FIGURA 19 - Metodologia para determinar as condições ótimas de corte (BOUZAKIS; EFSTATHIOU; PARASKEVOPOULOU, 1992)... 62 FIGURA 20 - Geometrias básicas transferidas do CAD para o CAM. 68 Figura 21 - Metodologia empregada na construção das peças.... 69 FIGURA 22 - Exemplo da construção das trajetórias auxiliares e de desbaste no macho e na cavidade da Peça 01... 73 FIGURA 23 - Geometria e trajetórias das ferramentas para o macho e a cavidade da Peça 01... ... 74
FIGURA 24 - A construção das trajetórias auxiliares (a, c) e as trajetórias de desbaste do macho e da cavidade (b, c) da Peça 02... 77 FIGURA 25 - Geometria e trajetórias para a cavidade e o macho da Peça 02... 79 FIGURA 26 - Trajetórias auxiliares de desbaste para a Peça 03. 82 FIGURA 27 - Geometria e trajetórias das ferramentas para o acabamento da Peça 03... 82 FIGURA 28 - Exemplo de um tipo de erro na transmissão da geometria do CAD para CAM, usando a interface DXF... 85
FIGURA 29 - Erros de mal formação dos offsets auxiliares no
desbaste da Peça 03... 87
FIGURA 30 - Erros na geração de recorte e fillets na cavidade da
Peça 02... 90
FIGURA 31 - Erro no fillet do macho da Peça 01, com superficie
convexa... 90
FIGURA 32 - Regiões aonde um dos fillet da cavidade da Peça 01
sofreu correções... 91
FIGURA 33 - Exemplo de geração de recortes na cavidade da
Peça 01... 92
FIGURA 34 - Erros de recorte e fillets no macho e na cavidade. 93
FIGURA 35 - Geometria e offset utilizada para calcular a
GLOSSÁRIO DE SIGLAS
SIGLA SIGNIFICADO ORIGINAL PORTUGUÊS
AME Advanced Modeling Extension
APT Automatically Programed Tools
CAD Computer Aided Design
CAM Computer Aided Manufacturing
CAPP Computer Aided Process Planning
CAI Computer Aided Inspection
CBN Cubic Boron Nitride
CNC Computerized Numerical
Control
CMM Coordinate Measuring Machine
CSG Construtive Solid Geometry
DNC Direct Numerical Control
FEA Finite Element Analysis
EDM Electric Discharge Machining HSM High Speed Machining
Projeto ou Desenho
Auxiliado por Computador Manufatura Auxiliada por Computador
Planejamento da Manufatura Auxiliado por Computador
Inspeção Auxiliada por Computador
Nitreto de Boro Cúbico Comando Númerico
Computadorizado
Máquina de Medir por Coordenadas
Controle Numérico Direto Análise com Elementos
Finitos
Máquina de eletro-erosão Usinagem em Alta
Velocidade
NURBS Non-Uniform Rational B-Spline
PC Personal Computer Computador de uso pessoal
RISC Reduction Instruction Set Computador com conjunto de
Computer instruções reduzido
VESA Video Electronics Standards
Association
WEDM Wire Electric Discharge Máquina de eletro-erosao à
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo básico verificar as reais
condições de utilização da plataforma PC, que envolve uma
tecnologia relativamente barata, se comparada com as estações de
trabalho (workstation), para atender a manufatura de cavidades
de moldes de injeção. Dos objetivos definidos para o trabalho destacam-se a apresentação de uma revisão bibliográfica dos principais conceitos básicos utilizados em softwares de CAD/CAM, procurando enfatizar os recursos e problemas que ocorrem na geração de trajetórias de ferramentas; realizar estudo de casos, utilizando os recursos materiais e humanos do GRUCON, visando relacionar a complexidade geométrica das peças com os recursos
computacionais de hardwares e softwares, possibilitando um
conjunto de informações que facilitem a aquisição de um sistema CAD/CAM para plataforma PC, aplicado ao setor de moldes de injeção. Como conclusão do trabalho são destacadas as principais
constatações observadas durante o estudo, bem como, os
requisitos de capacitação de pessoal para atuar com sistemas CAD/CAM. No final, são apresentadas sugestões de novos trabalhos que poderão dar continuidade a este.
ABSTRACT
The basic aim of this work is to verify the real conditions of making use of the PC platform, that involves a
relatively cheap tecnology if it is compared with the
workstation, to attend the manufacture of cavities of the
injection moulds. From definite aims to the work, it detach the presentation of a bibliographical revision of the main basic concepts that are utilized in CAD/CAM softwares looking for emphasizing the problems and resources that occur in the generation of the tool path; achieving the study of cases, making use of material and human resources of GRUCON, aiming to relate the geometrical complexity of the pieces with the computable resources of hardwares and softwares, making possible a whole of informations that facilitate the acquisition from a CAD/CAM system to a PC platform applyed in the injection mould sector. As conclusion of the work are detached the principal
confirmation observed during the study. As well as the
requisites of personnel's capacity to put in action with the CAD/CAM systems. At the end, some suggestions are presented to give continuity to this one.
1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
A manufatura de moldes de injeção apresenta uma grande importância no contexto da produção de peças de plástico, já que esta influencia a exequibilidade e os custos de produção de um grande número de componentes distintos. Da mesma maneira, a crescente utilização de materiais plásticos, em um extenso campo de produtos e a renovação frequente de modelos na indústria au tomobilística, trouxeram nas últimas décadas um aumento impor tante na demanda de moldes para o processo de injeção.
As empresas modernas do setor de moldes têm como preo cupação hoje, melhorar o conhecimento relacionado a todos os as pectos da produção, desde o projeto das peças até a construção
micos (ALTAN et al, 1993).
Estes processos, que utilizam moldes para conferir uma geometria a um material que entra sem forma ou pré-formado, na maioria das vezes, são complexos. Dessa forma, o custo efetivo de manufatura de matrizes e moldes, com geometria específica, tolerâncias, acabamento superficial e dureza requerida, repre senta uma parcela considerável no cômputo geral da cadeia produ tiva de peças injetadas. Muitas vezes há geometrias bastante ir regulares, como as superfícies esculturais, e materiais relati vamente duros, fazendo do projeto de moldes e de sua fabricação, uma tarefa que demanda tempo e envolve grandes dificuldades
(KÖNIG, 1992). Acrescente-se que, cada processo específico de fabricação impõe requisitos especiais nas características das matrizes e moldes (ALTAN et al, 1993), tais como, vida útil dos moldes ou tamanho das peças moldadas.
Outro fator importante, de ser analisado neste setor, é que, em muitos países, a indústria de moldes consiste principal mente de pequenas companhias, tipicamente com menos de 100 em pregados, que movimentam grandes volumes de dinheiro. Nos Esta dos Unidos da América, por exemplo, em torno de 15.000 empresas representam um volume anual de aproximadamente 20 bilhões de dó lares (DESTEFANI, 1993), (ALTAN et al, 1993).
queno porte, infra-estrutura organizacional simples e prestadora de serviços. Todavia, hoje estas empresas procuram diminuir cus tos, melhorar a qualidade e reduzir os tempos de entrega, prin cipalmente devido a concorrência externa, advinda com a abertura do mercado, que impõe um ritmo acelerado de modernização em suas tecnologias de manufatura. Assim, na fabricação de moldes, as máquinas CNC, apenas para citar um exemplo, têm se tornado sinô nimo de competitividade, com grandes investimentos na área.
A evolução da informática, tanto em recursos de hardwa re como de software, trouxe uma rápida disseminação de novas tecnologias que podem ser consideradas como uma verdadeira revo lução nas técnicas de fabricação de moldes.
Por outro lado, os usuários de mõldes, ou seja, os transformadores, aguardam cada vez mais, que certas metas sejam alcançadas ou possibilitadas pelas empresas fabricantes de mol des, tais como (KURTH; KESTELOOT, 1989), (ALTAN et al, 1993):
- redução dos custos de manufatura e dos tempos de moldagem;
- aumento da exatidão dimensional e da qualidade global;
- possibilidade da fabricação de moldes que permi tam a produção de pequenas séries de protótipos para teste e avaliação;
moldes são forçados a agilizar a interação com os seus clientes, melhorando o treinamento de seus empregados, e utilizando moder nas tecnologias de manufatura como, por exemplo, altas velocida des de usinagem, automatização do polimento e sistemas CAD/CAM.
1.2 OBJETIVOS DO TRABALHO
Visando atender às expectativas da indústria nacional de moldes, impelida, muitas vezes, a realizar altos investimen tos, sem o conhecimento prévio e pleno de uma dada tecnologia, este trabalho tem por objetivo básico verificar as reais condi ções de utilização da plataforma PC, que envolve uma tecnologia relativamente barata, se comparada com as estações de trabalho
(workstation), em atender a manufatura de cavidades de moldes de
injeção. Além disto, propõe-se:
- Elaborar uma revisão bibliográfica dos princi pais processos utilizados para a fabricação de cavidades, dando ênfase para aqueles que usam a tecnologia CNC;
- Elaborar uma revisão bibliográfica dos princi
pais conceitos básicos utilizados em softwares de CAD/CAM, pro
curando enfatizar os recursos e problemas que ocorrem na geração de trajetórias de ferramentas;
- Realizar estudo de casos, visando relacionar a complexidade geométrica das peças com os recursos computacionais
litar a aquisição de um sistema CAD/CAM para plataforma PC, vi sando a aplicação no setor de moldes de injeção.
1.3 A ESCOLHA DOS SOFTWARES CAD/CAM EM PLATAFORMA PC
Para alcançar os objetivos descritos no item anterior, faz-se necessária à utilização de um sistema CAD/CAM em plata forma PC que tenha, pelo menos, as seguintes características:
- ser representativo dentro do universo de siste mas comercializados no mercado nacional;
- ser indicado pelos fornecedores de softwares como um sistema que atende à área de moldes de injeção;
- possuir modelamento 3D;
- e que esteja disponível no laboratório GRUCON/ CIMJECT.
0 sistema que se enquadra nas características citadas é o software SmartCAM, para a área de CAM, com o módulo específico Advanced 3D Machining, desenvolvido pela empresa Point Control
dos Estados Unidos. 0 software de CAD é o AutoCAD desenvolvido
pela empresa Autodesk, também americana. Assim o sistema CAD/CAM utilizado é do tipo "não-integrado", ou seja, é necessário haver uma transferência do modelo da peça, entre os softwares de CAD e de CAM, através de protocolos de comunicação.
das, o trabalho é composto pelos seguintes capítulos:
-No capítulo 2 são apresentadas as principais téc nicas de fabricação de moldes, dando ênfase aos processos que utilizam tecnologias CNC e que necessitam de sistemas CAD/CAM. Na parte final do capítulo são discutidos, brevemente, os novos processos que auxiliam na confecção de moldes e que despertam o interesse da indústria nacional de moldes. Todavia a importância da citação destes processos, no presente trabalho, baseia-se em que todos os métodos aqui relacionados necessitam de sistemas computacionais e de uma interface de comunicação para sistemas CAD/CAM, sendo que muitas vezes, utilizam o mesmo modelo compu
tacional em diversos softwares.
-No capítulo 3 são apresentados os principais re cursos utilizados em sistemas CAD/CAM para fresamento de super fícies esculturais. Nesta parte do trabalho são definidos con
ceitos básicos sobre softwares de CAD/CAM, tendo como objetivo
facilitar a aquisição destes programas por parte das empresas que necessitam desta tecnologia e permitir um melhor entendimen to dos problemas evidenciados durante o trabalho.
-No capítulo 4 estão descritas as principais eta pas para realização do trabalho prático e o resultado final. Nesta parte é feita a apresentação da metodologia empregada na modelagem e geração das trajetórias para usinagem de peças.
considerações sobre as necessidades para o modelamento e fabri cação de cavidades para moldes de injeção.
-No capítulo 6 são feitas as considerações finais e as conclusões sobre aquisição de sistemas CAD/CAM, treinamento de pessoal para área e sugestão de novos trabalhos.
2.1 INTRODUÇÃO
Provavelmente 90% dos moldes que são produzidos anual mente sofrem operações de usinagem, principalmente torneamento,
fresamento, furação e retificação (MENGES; MOHREN, 1991, p.47). Quanto à confecção da cavidade a maioria é produzida pela usina gem direta em um único bloco sólido, ou pela composição e ajus- tagem de blocos (insertos) usinados separadamente ou ainda, por eletroerosão, a partir de um eletrodo pré-usinado (MENGES; MO HREN, 1991, p.35), (ALTAN et al, 1992), (GLANVILL; DENTON, 1970, p.13) .
Existem vários outros processos que podem ser emprega
dos para a fabricação de um molde (TABELA 1). Contudo, apresen
-mais de u m molde pode ser fei to do mesmo padrão;
e exatidão dimensional;
- p odem o c o r r e m inclusões não metálicas e bolhas; - u s i n a g e m p o s t e r i o r quando n e cessário; CERAMICA OU PRE CISÃO
-para alta demanda de moldes; -grande exatidão superficial;
-tamanhos pequenos;
EM MATRIZ
-alta qualidade superficial, m e l h o r reprodutibilidade; - t olerâncias fechadas
-utilizando peque n o s moldes ou insertos de cavidades;
-alto custo de produção;
jj^grandes^_pressões^^^e^^^rabalte PULVERIZAÇAO META-
LICA
-baixo custo por cavidade; -para p e q uenas séries; -baixo tempo de fabricação;
-necessário u m padrão;
-baixa vida de serviço (em m é d ia 2000 c i c l o s ) ;
-baixas p r e ssões de trabalho; -baixas c o n d u t ibilidade t é r m i cas; -peças de q u a l i d a d e inferior; DEPOSIÇÃO ELETROLI- TICA - utili z a ç ã o de insertos;
- repro d u ç ã o de superficies tex- turizadas; - cavidades profundas e e s t r e i tas; -exatidão dimensional; -com u m m e s m o padrão p r o d u z e m várias cavidades; - necessário um padrão; -as peças d e v e m p o s s u i r u m p r o jeto especial;
-o tempo de fabricação é muito longo (ás vezes semanas);
CUNHAGEM
- processo s e m remoção de m a t e rial;
-menor tempo de fabricação; -longa vida de serviço;_________
-para pequenas cavidades;
TABELA 1 - Vantagens e desvantagens de alguns pro cessos de fabricação de moldes, segundo
(MENGES; MOHREN, 1991) e (FERNANDES,
relação aos processos de usinagem citados, sendo mais usados em casos onde a usinagem do molde de injeção não for tecnicamente possível ou economicamente viável. Assim, geralmente, moldes ob tidos a partir destes outros processos são produzidos para pe quenos lotes de peças.
Devido à crescente complexidade geométrica das superfí cies envolvidas, principalmente na região das cavidades, grande parte do maquinário utilizado para usinagem de moldes necessita de construção e ferramental especial (MENGES; MOHREN, 1991).
0 resultado de pesquisas realizadas na Europa e Estados Unidos no ano de 1991 mostrou ter havido um crescimento no uso das tecnologias CNC, pois 25% das matrizarias utilizavam maqui nário NC, enquanto que 75% utilizavam máquinas para operações de
fresamento por cópia. Contudo, tal resultado não representava a realidade das empresas modernas e/ou das que fabricavam moldes com grandes dimensões (MENGES; MOHREN, 1991).
Atualmente, técnicas modernas de fabricação por remoção (por exemplo: eletroerosão à fio ou penetração, remoção quimica ou eletroquímica), estão sendo cada vez mais utilizadas, para a obtenção das mais variadas formas de cavidades. Entretanto, con vém salientar a importância assumida pelo fresamento, em função deste fazer parte, em dado momento, da grande maioria das técni cas utilizadas na fabricação dos moldes.
2.2 TÓPICOS RELATIVOS À MANUFATURA DE CAVIDADES, MACHOS E ELE TRODOS
2.2.1 Usinagem em máquinas CNC
Nas máquinas-ferramentas convencionais as informações referentes ao processo de usinagem são selecionadas pelo opera dor, que regula os parâmetros de usinagem, necessários para a execução dos serviços (por exemplo, avanços, velocidades de cor te, rotações, etc), diretamente nos equipamentos. As máquinas com dispositivos de cópia podem reconhecer as informações rela tivas aos contornos de um modelo, através de sensores, que tra duzem tais informações em movimentos de ferramentas (MENGES; MO HREN, 1991, p.52).
No caso de máquinas de comando numérico as informações são representadas de forma alfanumérica através de um programa,
que pode ser gerado manualmente pelo operador (programação ma
nual) ou com auxilio do computador (programação computadoriza da) .
A programação manual requer o desenvolvimento de blocos de comandos, para cada movimento da ferramenta, que normalmente é enviado passo a passo, em seqüência, ou feito diretamente no comando da máquina. Para tanto, os seguintes passos de planeja mento devem ser executados pelo programador (MENGES; MOHREN,
1991, p.53);
b- averiguação das ferramentas necessárias; c- determinação dos dados tecnológicos;
d- codificação e transferência das infor-mações.
Assim, um bom programador manual ou operador de máquina deve possuir conhecimentos especiais, tanto a nivel de máquinas- ferramentas, como de sistemas de controles e processos, e suas peculiaridades. A habilidade de calcular trajetórias de ferra mentas e operar equipamentos de usinagem, obviamente, são funda mentais (KIEF; WATERS, 1992, p.119-120).
Na programação computadorizada o programador descreve a
geometria das peças através de linguagens compiladas em um com
putador ou via recursos gráficos em sistemas CAD/CAM. As lingua gens do tipo APT estão sendo substituídas rapidamente pelos sis temas CAD/CAM, principalmente devido ã complexidade das peças, ao grande número de comandos envolvidos e á falta de um sistema de simulação gráfica satisfatório para o processo de fresamento
(ALTAN et al, 1993).
No Brasil, as empresas de moldes ainda utilizam bastan te a programação manual diretamente nas máquinas, geralmente para tarefas mais simples, como é o caso da usinagem das placas de suporte dos moldes e seus acessórios. Para a usinagem das ca vidades são utilizados o fresamento por cópia e/ou, em algumas empresas, sistemas CAD/CAM. A experiência tem mostrado que, em empresas que dispõem de ambas as tecnologias, alguns problemas
tem ocorrido pois, muitas vezes, o operador recebe um desenho de uma peça com geometria considerada simples, feita no CAD, e pro- grama-o diretamente no comando da máquina CNC. Dentro de um as pecto global de redução de custos, isto é inadmissível, pois
muitas vezes nestas empresas já existem sistemas CAD/CAM, que
podem elaborar as partes mais simples dos moldes, com maior ra pidez e segurança, evitando erros de programação e diminuindo os
tempos de preparação das máquinas.
2.2.2 Geração da Trajetória da Ferramenta
Existem basicamente três métodos para gerar trajetórias de ferramentas na manufatura de moldes: fresamento por cópia, digitalização e CAD/CAM ou programação NC.
a) Fresamento por cópia
Trata-se de uma tecnologia ainda em uso, principalmente para as operações de desbaste, mas que começa a ser gradualmente abandonada, devido às condições deste processo limitarem os avanços e as velocidades de corte a valores baixos. Assim uma
I
superfície que necessita de um bom acabamento requer um tempo de usinagem elevado.
b) Digitalização
Este é um método que é muito empregado na fabricação de moldes, principalmente para a confecção de cavidades com formas muito complexas, que não podem ser produzidas a custos baixos através de sistemas CAD/CAM. Sua grande vantagem reside na pos
sibilidade de realizar modificações nos moldes durante o try out, capturando a geometria da peça dentro de um sistema especi
alista. Apesar dessa tecnologia necessitar de um modelo fisico (como a peça velha, molde ou mesmo um modelo feito a mão), a mesma pode ser vantajosa, quando o desenvolvimento do modelo em CAD for custoso e demorado.
Outra grande vantagem é que os dados geométricos dos modelos podem ser transferidos, modificados, convertidos em ca vidade a partir da geometria do macho, espelhados e/ou escalona dos. Ainda é possivel utilizar com exatidão a digitalização na criação do modelo eletrônico no sistema CAD e posteriormente na geração de programas NC no sistema CAM (SHANAHAN, 1993).
c) CAD/CAM
Evidentemente, esta é a tecnologia de maior desenvolvi mento nos últimos anos, que representa a integração no uso do computador no processo produtivo, incluindo as fases do projeto e manufatura (KIEF; WATERS, 1992, p.368). Este método será dis cutido com maior profundidade nos capitulos seguintes.
2.2.3 Fresamento simultâneo em 3 e 5 eixos
0 uso de fresas de topo planas no fresamento simultâneo dos 5 eixos de usinagem da máquina ferramenta, possui a caracte rística de manter o eixo longitudinal da ferramenta perpendicu lar à superfície da peça. Devido a isto, a utilização desta téc nica leva à obtenção de um melhor acabamento superficial das pe
ças (GAO; HARRISON; DAVIS, 1989) . Adicionalmente, os tempos de usinagem podem ser reduzidos em até 50% se comparados com os que são obtidos no fresamento simultâneo em máquinas de 3 eixos ( fig. 1, TABELA 3).
Fresamento 5 Eixos
Tipo de Ferramenta - fresa de topo Diâmetro - 25 m m
Distância entre passes radiais - 12,50 m m
Fresamento 3 Eixos
Tipo de Ferramenta - fresa de bola Diâmetro - 25 mm
Distância entre passes radiais- 2,00 m m
FIGURA 1 - Um exemplo que ilustra a diferença nos tem pos de usinagem comparando o fresamento si multâneo em 3 e 5 eixos (ver TABELA 3) (GAO; HARRISON; DAVIS, 1989)
Apesar do fresamento simultâneo em 5 eixos oferecer vantagens na manufatura de machos com superficies convexas de grande dimensões, possibilitando a usinagem de peças em tempos menores, prevaleceu no setor, o emprego de máquinas de 3 eixos (GAO; HARRISON; DAVIS, 1989), (AHRENS, 1994). Isto ocorre
princi-palmente devido ao alto custo do maquinário de 5 eixos. Outro problema é relacionado com a programação destas máquinas, que geralmente é bastante dificil e propensa a erros (fig. 2) (GAO; HARRISON; DAVIS, 1989), (ALTAN et al, 1993), (AHRENS, 1994).
3 EIXOS 5 EIXOS
ALTURA DE CUSP^ 0,04 mm 0,04 mm
DISTÂNCIA ENTRE PAS 2 mm 12.5 mm
SES
N^ DE PASSES 37 7
i'ERRAMENTA 0 = 25 MM fresa de bola fresa de topo
ACABAMENTO Requer acabamento Não requer acabamen
manual to manual
COMENTÁRIOS Tipicamente usada em Tipicamente usada em
superficies convexas superficies convexas
e côncavas de grandes dimensões
TABELA 2 - Uma comparação entre fresamento simultâneo em 3 e 5 eixos segundo (GAO; HARRISON; DAVIS, 1989).
5 EIXOS 3 EIXOS
FIGURA 2 - Comparação entre o fresamento simultâneo em 3 e 5 eixos para superfícies côncavas (GAO; HARRISON; DAVIS, 1989).
2.2.4 Eletroerosão
0 emprego da tecnologia de eletroerosão (EDM) vem sendo considerado como muito importante para a manufatura de superfí cies esculturais, comuns em moldes de injeção. Diferentes tipos de EDM (tais como: por mergulho ou por penetração CNC, EDM CNC e a EDM ã fio 4 e 5 eixos), são considerados por especialistas, como técnicas imprescindíveis para as empresas de moldes que queiram se manter competitivas. Segundo (SHANAHAN, 1993), o tem po gasto nas empresas norte-americanas, na usinagem de um molde de porte médio para grande, é dividido igualmente entre a EDM e o fresamento.
De uma maneira geral, na confecção de machos predominam as superficies convexas, que podem ser facilmente usinadas por fresamento simultâneo em 3 e/ou 5 eixos. Via de regra, as cavi dades são côncavas e muitas vezes profundas, apresentando deta lhes de dificil usinagem com fresas de topo ou de bola (fig. 2 e
3) . Nestes casos a EDM é preferida, tanto para usinar os deta
lhes como fazer as operações de acabamento das cavidades fresa- das (ALTAN et al, 1993).
Fresa
FIGURA 3 - Metodologia empregada pelo setor de moldes para a fabricação de cavidades, que utiliza o fresamento para o desbaste e a EDM para realizar os detalhes (SÍIANAHAN, 1993) .
Na utilização das modernas máquinas de eletroerosão a fio (WEDM) de 4 e 5 eixos é possível usinar as superfícies cha
madas de Regradas ou Ruled (fig. 4), que chegam a ter laterais
com ângulos superiores a 30°. Em tais máquinas é possível calcu lar automaticamente os parâmetros de pré-acabamento e acabamento mais adequados à situação. Sistemas de fixação modernos, acopla dos ã alimentadores automáticos de fios, podem reduzir drastica
mente o tempo de set-up e permitir a operação sem supervisão
(ALTAN et al, 1993).
a< 30'
FIGURA 4 - Exemplo de superfície regrada (Ruled surfa
ce) .
A WEDM tem sido muito utilizada na fabricação de inser tos, que são partes substituíveis de moldes (DE GASPARI, 1993). Assim, adotando o sistema de peças intercambiáveis pode-se pres
sinterizados, cerâmicas, não-ferrosos, etc. Outra vantagem está relacionada com a qualidade superficial alcançada com a WEDM, associada à um processo de brunimento. Com esta técnica é possí vel aumentar significativamente a vida útil de moldes compactos
(LEVY; WERTHEIM, 1988).
Com relação ao processo de eletroerosão em máquinas de comando numérico {EDM CNC), a economia de tempo e de qualidade pode ser atribuída a diversos fatores, tais como (SHANAHAN, 1993), (ALTAN et al, 1993):
a- o movimento orbital do eletrodo permite uma me lhor precisão, repetibilidade e acabamento superficial, além de melhorar a capacidade de remoção de cavacos, possibilitando re cortar e nervurar rasgos estreitos na faixa de 0,5 a 2,5 mm de largura;
b- a introdução de sistemas de controle adaptati- vos nas máquinas EDM CNC associadas aos novos dielétricos e às altas velocidades de avanço, viabilizam uma redução em até 50% do tempo de usinagem, permitindo inclusive a operação sem super visão.
Contrariamente ao que ocorre nos pós-processadores de fresamento e torneamento, onde os programas são rodados e envia dos em lotes, os controles das EDM CNC devem permitir operações interativas, que a qualquer momento, possibilitem a correção das rotinas, devido à alterações nas condições de usinagem (KRUTH, 1986) .
A TABELA 4 mostra comparativamente o consumo anual per centual do tipo de máquina EDM por penetração (CNC e manual), nos principais países industrializados demonstrando a tendência da utilização deste tipo de equipamento.
OPERAÇÃO EDM CNC POR PENETRAÇÃO EDM MANUAL POR PENETRAÇÃO EUA 14% 76% JAPÃO 57% 12% ALEMANHA 29% 12% TOTAL 100% 100%
TABELA 3 - Consumo anual percentual de máquinas EDM
por penetração nos principais países indus trializados (SHANAHAN, 1993).
Na EDM as relações entre os parâmetros de usinagem (p. e., corrente de descarga, freqüência de descarga, etc.) e os re sultados da usinagem (p. e., taxa de remoção, rugosidade, des gaste de ferramenta, etc.) diferem de um tipo de máquina para outro, necessitando de sistemas CAD/CAM com recursos especiais
Outro grande campo de utilização da EDM é para opera ções de polimento e acabamento (texturização) de cavidades, em função de possibilitar o emprego desta técnica, no caso de geo metrias com formas especiais e consideradas complexas, com efi ciência e economia (Gordon, 1993, p. 142) . Basicamente, para se obter uma superficie espelhada com EDM, deve ser utilizado um eletrodo de cobre com a forma da peça. Este deve ser aplicado sobre o molde através de movimentos planetários, sendo os parâ metros de remoção ajustados para as condições específicas
(KINOSHITA et al, 1991). Assim, possibilitando rugosidades da
ordem de 0,1 e 0,2 |xm (Ra) (ZHANG et al, 1988), (KINOSHITA et
al, 1991). Porém o método apresenta problemas com relação ao tempo necessário para executar uma tarefa, que geralmente é bas tante demorado (ALTAN et al, 1993) . Adicionalmente, a qualidade da superfície polida diminui na medida em que a área do molde e
do eletrodo aumentam (ZHANG et al, 1988), (KINOSHITA et al,
1991) .
Com relação à texturização de cavidades, segundo
(GORDON, 1993, p. 146-147) esta pode produzir benefícios como, por exemplo, esconder linhas de fluxo, de solda e marcas de usi nagem, que geralmente são visíveis em peças moldadas com dife rentes resinas. Como existe uma grande variedade de padrões de texturização, é possível esconder marcas de usinagem na cavidade de um molde, que um simples polimento manual não permite.
2.2.5 Manufatura de eletrodos para EDM
A precisão na fabricação dos eletrodos e a qualidade do sistema de fixação dos mesmos na máquina, influi consideravel
mente na precisão dimensional das peças eletroerodidas. Quando
se deseja fabricar uma peça com tolerância em torno de 0,01 mm é necessário que a precisão de fabricação dos eletrodos seja maior ou no mínimo igual a da peça (KÖNIG, 1993 p.73).
Outra influência considerável sobre o comportamento da erosão, além dos parâmetros de controle, é exercido pelos mate riais empregados para o par eletrodo-ferramenta e peça. A erodi- bilidade de um material não depende de suas propriedades mecâni cas, mas sim de sua composição química. Desta forma, as proprie dades físicas têm uma influência considerável sobre o processo
(KÖNIG, 1993 p. 50).
0 cobre e o grafite são os materiais mais comumente utilizados na fabricação de eletrodos (ECKHART; LOPES, 1990). Segundo (ALTAN et al, 1993), 85% dos eletrodos produzidos por fresamento nos EUA são de grafite, enquanto que na usinagem de moldes pequenos e de elevada precisão é usado o cobre. 0 grafite pode ser usinado em máquinas CNC especiais de alta velocidade com pequenos avanços por passe, principalmente quando se deseja diminuir os problemas de marcas, causados pelo fresamento, que levariam a um processo adicional de polimento do molde.
2.3 NOVOS PROCESSOS QUE AUXILIAM A MANUFATURA DO MOLDE
Na luta para reduzir custos, as empresas estão adotando novas técnicas de projeto e de fabricação, tendo como objetivo principal eliminar etapas ou reduzir os tempos na produção dos moldes. Para tanto, é recomendável adotar, por exemplo, proces
sos de Prototipagem Rápida, Alta Velocidade de Usinagem (HSM), novas técnicas de Eletroerosão, automação do polimento e um con trole de qualidade mais rígido, principalmente através da utili zação de máquinas de medir por coordenadas (CMM). Embora estes processos, de uma maneira geral, ainda não sejam empregados ro tineiramente pelas empresas de moldes no Brasil, algumas consi derações serão apresentadas a seguir.
2.3.1 Processos de Prototipagem Rápida
Durante a última década, vários processos foram desen volvidos para a produção rápida de modelos de plásticos e de ce râmica, a partir do modelo desenvolvido no CAD. No entanto, ain da hoje não é possível utilizar tais processos para a produção de peças, em regime industrial, a custo e/ou tolerância aceitá vel no mercado (KRUTH, 1991). Contudo, a tendência natural do mercado, é de que no futuro, estes processos venham a se tornar um meio rotineiro de manufatura, uma vez que (ALTAN et al,
1993), (KRUTH, 1991):
-não há necessidade de enquadrar o projeto de
cas das peças, pois o modelo em superfície 3D ou em sólido se constitui no conjunto de informações suficientes para a produção das peças, ou seja, o processo de fabricação não precisa ser adaptado para os tipos de geometrias ou para as características das peças;
-não há necessidade de converter o projeto para as características da fabricação, pois o projeto contém todas as informações geométricas necessárias para a manufatura;
-não há necessidade de definir a peça em bruto; -o processo e as operações de planejamento são re duzidas para um mínimo, não há necessidade de definir seqüências de operações e rotinas complexas, ou seja, as peças são produzi das em uma operação;
-não há necessidade da peça ter mais de um set-up;
-não há necessidade de utilizar grampos, gabaritos ou fixadores;
-é um processo que não requer seleção e gerencia mento de ferramentas de usinagem.
No que se refere á manufatura de moldes estes processos t
estão despertando muito interesse, principalmente para realizar tarefas como, por exemplo, a fabricação de modelos para verifi cação das formas geométricas apresentadas no CAD ou para a aná lise de alguma propriedade funcional ou estrutural da peça. Ou tra alternativa é a fabricação da própria cavidade ou do molde de injeção, por exemplo, pelo processo de pulverização metálica.
para a produção em pequenas séries (1000 a 2000 peças), onde a tolerância dimensional não for considerada critica (> 0,10 mm)
(ALTAN et al, 1993) , (KRUTH, 1991) . Assim, as peças e/ou moldes
poderão ser testados em sua funcionalidade, bem como, os deta lhes e os custos do processo de produção em tempo real podem ser melhor estimados (ALTAN et al, 1993).
A importância destes processos pode ser evidenciada
pelo fato de softwares CAD/CAM já disporem de interface e/ou
softwares dedicados à tecnologia de Prototipagem Rápida.
2.3.2 Usinagem em Alta Velocidade (HSM)
A tecnologia de usinagem em altas velocidades vem so frendo desenvolvimentos para tentar minimizar dois problemas graves enfrentados pelo setor de usinagem, em especial as empre sas de moldes: o longo tempo de usinagem e os grandes volumes de cavaco (SCHULZ et al, 1992) . De uma maneira geral, as operações de fresamento da cavidade do molde - que incluem, desbaste, semi-acabamento e acabamento - podem ser beneficiadas pela tec nologia da Usinagem em Alta Velocidade (DESTREFANI, 1993). As altas taxas de avanços (acima de 15 m/min), rotações de ferra
mentas ( 20.000 rpm ou mais), velocidades de corte (acima de 700
m/min) e os pequenos avanços entre os passes, permitem uma usi nagem com grande precisão e com excelente acabamento superfici al. Mas, para tanto, é necessário dispor de máquinas-ferramenta com controles CNC especiais, uma estrutura rigida, árvores dina
micamente balanceadas e ferramentas de fresamento especiais (CBN, Cermets, etc,) (ALTAN et al, 1993).
Essa tecnologia é indicada principalmente para moldes de aços de ligas leves, ferros fundidos, não ferrosos e grafi- tes, utilizados na fabricação de eletrodos para a EDM. Na usina gem, por exemplo, de ligas de aluminio, o fator limitante não é
o desgaste da ferramenta mas os recursos de hardware e software,
a serem discutidos nos parágrafos seguintes. Além disso, em mui tos casos, a velocidade de corte fica limitada pelo desgaste da ferramenta, principalmente quando a usinagem é feita em materi ais duros como as super-ligas, ligas de titânio, aços-liga endu recidos, etc. (SCHULZ et al, 1992).
Segundo (Altan et al, 1993), (SCHULZ et al, 1992),
(DESTREFANI, 1993), os objetivos do emprego desta tecnologia na fabricação de moldes, são:
- reduzir o tempo de acabamento manual
(polimento);
- aumentar a precisão e a qualidade das su perfícies;
- reduzir a camada limite afetada pela usina gem;
- reduzir o tempo de produção (lead time) to
No que se refere aos sistemas de controle das máquinas CNC, há necessidade de se ter um processamento interno dos dados em alta velocidade, sendo às vezes, a tecnologia da CPU de 32 bits para plataforma PC insuficiente, devendo se utilizar uma
CPU RISC (Reduced Instruction Set Computer). Isto ocorre devido
às altas taxas de avanço que são necessárias para operação des tas máquinas. Outra característica importante é a necessidade do controle possuir uma grande capacidade de armazenagem de dados, num campo superior a alguns megabytes. Isto facilitaria o envio pelo DNC, das grandes quantidades de blocos de programas, uma vez que o padrão serial RS 232 não é suficiente para uma taxa de transmissão necessária de 4 ms, ou seja, 76.800 baud (ALTAN et al, 1993) .
2.3.3 Automatização do polimento de moldes
0 acabamento superficial desejado para as cavidades de pende da utilização, da aparência estética requerida para a peça de plástico (MAHADEV et al, 1991), da necesidade de eliminar os defeitos residuais de processos de fabricação anteriores, influ indo significativamente no tempo necessário para produzir um molde e, consequentemente, no seu custo final. 0 tempo estimado para polir lam molde, está entre 35% e 50% do tempo total que é gasto em sua usinagem (ALTAN et al, 1993), (SAITO et al, 1993).
A automatização completa da operação de polimento em moldes é, no minimo, um problema difícil. Mesmo usando métodos mecânicos, elétricos ou químicos, em muitos dos casos há neces
sidade da combinação destes com procedimentos manuais (MENGES; MOHREN, 1991, p.48-49), (WEULE; TIMMERMANN, 1993), principalmen
te devido aos tipos de superfícies, formas e configurações en volvidas (KANG; KIM; LEE, 1990). Segundo (SAITO et al, 1993),
65% da geometria da cavidade de um molde, é formada por superfí
cies complexas, das quais 40% são tipo Free F o m e d Surfaces. A
curto prazo, segundo pesquisas recentes, a meta é automatizar a operação de acabamento final em 50% e deixar os demais serviços para operações manuais (MAHADEV et al, 1991).
0 desenvolvimento de máquinas de polimento automático vem sendo direcionado para a utilização de robôs industriais e centros de usinagem, sendo que estes equipamentos ficam, em sua maioria, restritos a operações em superfícies de geometria sim ples (SAITO et al, 1993) . Existe uma tendência para o uso de robôs, principalmente devido aos seus múltiplos graus de liber dade e flexibilidade, mas ainda existem problemas nos sistemas de controle dos algoritmos de movimentação que, na sua maioria, ainda são realizados ponto a ponto (MAHADEV et al, 1993).
As ferramentas manuais, com acionamento elétrico, pneu mático ou com ultra-som, serão fundamentais para a obtenção de superfícies com alta qualidade, ainda nos próximos anos.
2.3.4 Avanços no controle de qualidade de moldes
Atualmente, é cada vez maior a exigência por uma quali dade melhor, sempre associada a um custo menor dos produtos, tornando-se imprescindível a redução dos períodos de produção
(lead time) . Uma das maneiras de alcançar esta meta, é evitar
que uma tarefa do ciclo produtivo seja executada mais de uma vez, ou seja, deve-se evitar que algum erro aconteça, exigindo posterior retrabalho. Neste contexto, as empresas de moldes não
podem admitir que erros sejam descobertos somente durante o try-
out final, ou que os moldes sejam freqüentemente alterados, até
que todos os erros de projeto e de fabricação sejam corrigidos. Assim, a medição da superfície de um molde é um processo alta mente recomendado para assegurar a qualidade da usinagem feita
(KANG; KIM; LEE, 1990).
Os softwares de inspeção (CAI) e as máquinas de medir por coordenadas (CMM) acopladas ao processo de manufatura, no chão de fábrica, fazendo as inspeções dos eletrodos de eletroe rosão, das cavidades fresadas ou erodidas, e até das superfícies de fechamento dos moldes, são de vital importância para reduzir o tempo de fabricação. Isto deve ser feito comparando as medidas das peças fabricadas com a dos modelos e as tolerâncias origi nais inseridas no CAD (GRANQUIST, 1993).
As máquinas CMM possuem sistemas que capturam os dados geométricos de uma peça, por meio de sensores (que atuam por tecnologia óptica, laser, ultra-som, vídeo câmara, entre ou
tros), podendo comparar a geometria com os dados dos modelos eletrônicos gerados no CAD. Tais equipamentos podem emitir rela tórios, contendo informações estatísticas confiáveis, sobre as variações geométricas e de forma, nas superficies das peças. Adicionalmente algumas máquinas não só apalpam, mas também indi
cam, na peça, através de riscos, o ponto exato onde a geometria deve sofrer correções (BOTTURA; FUOCO, 1992).
Com a associação de softwares de inspeção e CMM, estão
abertas novas possibilidades, desde a visualização gráfica em
telas coloridas (por exemplo, de erros de forma, de offsets, de
paralelismos, de retilineidade), até a geração de programas CNC para correção dos mesmos, possibilitando uma maior integração CAD/CAM/CAI (GRANQUIST, 1993), (PAHK et al, 1993).
Uma das restrições que ainda existe no emprego desta tecnologia é a baixa velocidade de medição, que inviabiliza o
processo de inspeção da usinagem dos moldes on-line (KANG; KIM;
LEE, 1990) (SAITO; MIYOSHI, 1991). Grande parte deste problema se deve ã utilização de métodos de contato fisico entre peça- aparato de medição. Problemas como desgastes, deformações elás ticas e compensações de raios de curvas são comuns. Alguns méto dos de digitalização com laser tentam solucionar estes problemas mas ainda encontram deficiências, quando empregados em superfí cies com inclinações superiores à 45 graus e de não linearidade da medição (SAITO; MIYOSHI, 1991) .
De uma maneira geral a tecnologia CAI deve atacar as causas e não os efeitos. Assim, sua utilização vem sendo sugeri
da para medições de eletrodos, ferramentas, modelos, padrões, e outros, colocando no chão da fábrica, condições para que máqui nas-ferramentas tenham elevada produtividade, com qualidade e
PERFÍCIES ESCULTURAIS
3.1 INTRODUÇÃO
As atividades voltadas ao projeto e à fabricação de moldes de injeção, para a indústria de plástico, com uso de sis temas CAD/CAM, requerem esforços provenientes de diversas áreas da engenharia. Obviamente a implantação de sistemas CAD/CAM não é uma tarefa simples, exigindo das empresas uma metodologia or ganizada de trabalho e critérios de planejamento (AHRENS, 1994). De uma maneira geral, para a utilização eficiente desta nova tecnologia, as empresas precisam passar por etapas difíceis
como, por exemplo, o aprendizado, a escolha do software e do
hardware de trabalho. A seguir serão feitas observações sobre os
esco-lha dos softwares para usinagem de superfícies esculturais.
3.2 A ESCOLHA DO TIPO DE SISTEMA CAD/CAM
Nos últimos anos, devido à necessidade das empresas de moldes em atender às solicitações das indústrias de transforma ção, que necessitam produzir peças técnicas injetadas em um vo lume cada vez maior, forçou as matrizarias a fabricarem os seus produtos em tempos cada vez menores, procurando sempre uma maior qualidade associada à redução dos custos de manufatura, com em prego de novas tecnologias. Tentando solucionar estes problemas
e adequar os sistemas CAD/CAM às necessidades destas empresas, as software-houses desenvolveram vários tipos de sistemas de
CAD/CAM para obtenção dos programas NC, geralmente, feitos para atuar em uma determinada faixa de mercado. Dependendo do tipo de sistema escolhido, determinadas tarefas serão mais simples ou mais complexas de serem executas. Assim, é aconselhável que um
software de CAD/CAM possua três requisitos básicos para obtenção
do código NC, em relação à operação de fresamento (SUZUK; KORE SAWA; SAKAMOTO, 1993):
- possibilite elevada velocidade de processamento dos algoritmos (otimização);
- verificação automática e completa das interfe rências das ferramentas na peça;
- geração automática e completa das trajetórias de desbaste e de acabamento.
0 modelo de sistema escolhido para o CAD poderá faci litar ou dificultar as tarefas do CAM em atender os três requi
sitos citados no parágrafo anterior (fig. 5) . Assim, segundo
(SCHUT, 1993), o CAD é a chave, devendo proporcionar uma infor mação completa da peça para o CAM, que por sua vez deve criar as
trajetórias das ferramentas, sem a necessidade de edição manual.
SISTEMA A
SISTEMA B
FIGURA 5 - Exemplo de dois tipos de sistemas constru
tivos empregados em sistemas CAD/CAM
(SUZUK; KORESAWA; SAKAMOTO, 1993).
Em muitos dos sistemas CAM para plataformas PCs, a ge ração das trajetórias é feita através de uma malha de pontos, compostas de polilinhas, sendo que detalhes da geometria da peça
são gerados por edição manual. Isto acarreta alguns problemas, como, por exemplo, a geometria original da peça é perdida. Em segundo lugar, o trabalho de edição das trajetórias, que são ar mazenadas em uma série de pontos, obriga o usuário a criar as
novas trajetórias por aproximação ou interpolação da base de da dos. Uma mudança na ferramenta utilizada para a usinagem requer uma redefinição e a reconstrução de praticamente todos os pon tos, sendo feita, muitas vezes, sobre uma superficie aproximada
(NOAKER, 1991).
Outros requisitos como: precisão na definição do obje to (regulares e esculturais), alta velocidade de processamento
(manipulação e visualização), facilidade de edição (verificação e edição), cálculo de propriedades de massa e interfaceamento com aplicativos (FEA, NC, etc.) são fundamentais para um bom mo delo de CAD (ROSA, 1988).
Contudo, os sistemas CAD desenvolvidos para a área de moldes, salvo raras exceções, possibilitam basicamente as opera
ções de modelamento geométrico, não possuindo funções específi cas e de conhecimento para a manufatura de moldes como, por exemplo, decisão da localização das linhas de fechamento, com pensação automática da contração e projeto parametrizado de pe ças padronizadas (KANG; KIM; LEE, 1990). Para suprir estas defi ciências, em muitas empresas do setor de moldes, há necessidade
d.o desenvolvimento de softwares específicos ou que sejam feitas
modificações nos softwares comerciais, que geralmente, são rea
\iitia manufatura avançada (GRANQUIST, 1993) . Assim, muitos dos
softwares no mercado, permitem a personalização ("customização")
pelos meios de linguagens de programação específicas (dedicadas) (AHRENS, 1995). A aplicação destes programas podem melhorar substancialmente a produtividade dos sistemas CAD/CAM. Mas, na prática, muitas companhias ainda trabalham com a funcionalidade padrão, subtilizando seus sistemas. Isto, principalmente, devido ao fato dos usuários dos sistemas CAD/CAM possuirem dificuldades com as grandes e, algumas vezes, ilógicas organizações de coman dos, as quais representam muito bem a estrutura organizacional
interna dos softwares CAD/CAM e o seu pequeno campo de aplicação
(VAN HOUTEN, 1992).
Outra tentativa de solucionar estas limitações é a
utilização de mais de um software de CAD e de CAM (SCHUT, 1993),
tentando suprir, pela diversificação, as deficiências individu ais dos sistemas.
3.3 TIPOS DE MODELADORES GEOMÉTRICOS PARA SISTEMAS CAD/CAM
Para a área de moldes, em relação a usinagem, o melhor sistema CAD/CAM é o que permite a geração das trajetórias das ferramentas com mais facilidade e maior precisão. De acordo com o tipo do modelamento adotado (superfície ou sólido), tem-se al
goritmos mais velozes e/ou precisos. Conforme a tendência apre
sentada no mercado, os softwares de CAD/CAM estão evoluindo para
as NURBS (NOAKER, 1991), (SCHUT, 1993), (DIBBLE, 1994).
3.3.1 Modelamento de curvas e superficies
Atualmente, o modelamento de curvas (wireframe) e, a
partir deste, o modelamento de superficies, são bastante empre gados para o projeto e a fabricação das cavidades, principalmen
te devido às limitações, ainda existentes, na geração de offsets
em modeladores de sólidos, essencialmente, quando torna-se ne cessário o modelamento de superficies esculturais (PHAM, 1992).
*
A geração de curvas planas e 3D (linhas, arcos, Bézi-
ers^ , B-splines^ , etc.) dentro de um software de CAD/CAM, são de
fundamental importância, uma vez que é a partir do modelamento destas, que são geradas as superfícies. Além disso, muitas das
operações de manipulação de superfícies (como intersecções,
blends e fillets) é feita através destas curvas.
Para a obtenção do programa NC é vantajoso o desenvol vido de um modelo 3D verdadeiro da superfície, que deverá permi tir uma análise fácil e rápida das características das superfí cies, como as curvaturas, ou as especificações físicas que de
pendem da geometria, tais como: volume, área superficial,
mo-Béziers - Método matemático desenvolvido por Pierre Bézier para descrição de curvas e superficies.
^ B-splines - Forma reduzida de Basis spline, método matemático que descreve curvas e superficies, na qual contém o método de Bernstein como um caso espe cial.
mento de inércia, etc. Funções de visualização, como coloriza- ção, que servem para sugerir sombras ou aparências tridimensio nais à um modelo, são de fácil implementação em superficies. Além disto, a geração das informações necessárias para o código NC, a partir do modelamento de superfícies, é considerada sim ples se comparada com as demais aproximações (ROGERS; ADAMS,
1990, p. 379).
Basicamente existem duas filosofias que norteiam as
técnicas de descrição de superfícies. A primeira, associada ao nome de Coons, e voltada para parâmetros numéricos de engenha ria. A segunda associada ao nome de Bézier e vinculada princi palmente à fatores visuais, estéticos, estilísticos e artísti cos. Segundo (ROGERS; ADAMS, 1990, pág. 380), estas duas corren
tes podem ser compatíveis dentro de um mesmo projeto de softwa
re. Assim, dependendo do tipo do sistema de CAD/CAM usado, o
usuário pode criar a superfície pela definição de lama malha de
pontos ou curvas, como as apresentadas na FIGURA 6 . A subdivi
são de uma superfície em retalhos (patches) a partir da malha
definida pelo usuário, irá fornecer uma melhor ou pior descrição
da superfície (KRUTH). Por exemplo, quando há necessidade de um
detalhe mais preciso em xxma superfície complexa, deve-se cons truir a partir de um sistema de malhas com retalhos menores e precisos (NOAKER, 1991).
3.3.2 Modelamento de sólidos
Conforme citado anteriormente, o modelamento de sóli dos é uma tendência no mercado de CAD/CAM nos próximos anos. Se gundo (MANTYLA, 1988), podemos dividir os tipos de modelador de sólidos em 4 grandes grupos:
a- modelos de decomposição (enumeração exaustiva.
Octree, subdivisão binária, subdivisão linear, decomposição em
células);
b- modelos construtivos(Constructive Solid Geome
try - CSG);
c- modelos de contorno (Boundary Representations
(B-rep), Sweep Representations);
d- modelos híbridos.
Os três primeiros são considerados básicos, possuindo vantagens e desvantagens, que são analisadas em (MORTENSON) ,
1985), (MANTYLA, 1988) e (FOLEY et al, 1990). Pela combinação dos três primeiros, obtém-se os modelos híbridos, que perseguem o objetivo de conseguir uma melhor capacidade de visualização gráfica, velocidade de criação e apresentação, e são os mais in dicados para aplicação dos recursos de algoritmos numéricos
(MANTYLA, 1988). Basicamente, para a área de moldes, o modela mento de sólidos (fig. 1) converge para a utilização em peças
união de peças prismáticas (CSG) e em superficies esculturais (B-rep).
a - Superficie de Coons b - Superficie Lofted
%
c - Superficie de Patch d - Superficie de Ruled
FIGURA 6 - Exemplos de superficies esculturais segundo (POINT CONTROL, 1991).
Segundo (DIBBLE, 1994), para a utilização do modela mento de sólido é necessário o uso de estações de trabalho pode
rosas, pois os softwares feitos para a plataforma PC vêm apre
No tocante à geração de offsets em sólidos ocorrem al
guns problemas sérios. Uma das principais dificuldades é a veri
ficação se o offset do sólido primitivo é consistente, ou seja,
se a superfície está completamente fechada, sem buracos ou cru
zamentos. Em geral, uma combinação Booleana de offsets primiti
vos não é a mesma de uma combinação Booleana similar dos sólidos
primitivos originais. Então, os offsets dos sólidos primitivos
não podem ser usados como ponto de partida para criar o offset
de um sólido completo (PHAM, 1992). PEÇA
Sweep Representation B-rep
FIGURA 7 - Exemplos dos modeladores de sólidos normal
mente usados em softwares CAD/CAM
3.4 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE OFFSETS DE CURVAS E SUPERFÍCIES
Os offsets de curvas e superficies são usados em mui
tas aplicações industriais, como na movimentação de robôs e no uso de comandos numéricos. Curvas são normalmente representadas na forma paramétrica, pois estas possuem os parâmetros que indi cam a direção (vetor normal) correspondente entre uma curva e o seu offset (PHAM, 1992). Neste trabalho será discutido, breve
mente, alguns tópicos relacionados à offsets de curvas e super
ficies, visando possibilitar um melhor entendimento do trabalho desenvolvido nos Capitulos 4 e 5.
A geração de offsets de curvas e superfícies por algo
ritmos, não é uma tarefa simples, principalmente pelas seguintes razões apresentadas abaixo (CHOI et al, 1988), (PHAM, 1992):
• Um offset único não pode existir, no caso deste
poder ter mais do que uma direção normal em alguns dos pontos da curva original, por exemplo, na localização das descontinuidades tangenciais da FIGURA 8-a.
• Em geral, um offset de uma curva ou superfície
não é do mesmo tipo de curva ou superfície que lhe deu origem.
Por exemplo, um offset de uma spline não é uma spline.
• A forma de um offset não depende somente da for
ma original da curva ou superfície, mas também da distância e
