MODELO COMPUTACIONAL PARA IDENTIFICAÇÃO DE
PARÂMETROS ESTRUTURAIS DE UMA PLATAFORMA DESTINADA À
PESQUISA EM MANUFATURA ADITIVA
Luiz Eduardo Frezzatto Santos, Projeto Mecânico, luiz.eduardo.santos@usp.br Paulo Inforçatti Neto, CTI-Campinas, paulo.inforcatti@cti.gov.br
Jorge Vicente Lopes da Silva, jorge.silva@cti.gov.br
Zilda de Castro Silveira, Projeto Mecânico, silveira@sc.usp.br
Resumo. Este trabalho tem como objetivo propor um modelo virtual para avaliação do comportamento estático, bem
como modal de uma plataforma estrutural destinada a estudos envolvendo diferentes tipos de cabeçotes de deposição para impressão 3-D “low-end”. O uso da manufatura aditiva em escala industrial ou por meio de usuários pontuais ocorre de forma incipiente no Brasil, ainda que com alguma concentração na região Sudeste e Sul. Entretanto, o avanço tecnológico, notadamente na área de desenvolvimento de novos materiais tem impulsionado outras áreas, como por exemplo, de nanotecnologia e bioengenharia para obtenção de materiais com gradientes funcionais, com propriedades de biocompatibilidade e também materiais biodegradáveis. Nesse contexto, surge uma lacuna de projeto e uso de equipamentos industriais e impressoras de baixo custo (low-cost) que possa atender às demandas de ambientes de pesquisa, que permitam flexibilidade no uso de matéria-prima, em variedade e quantidade, bem como opções de diferentes cabeçotes, com tecnologias específicas de deposição de material. Os resultados numéricos preliminares indicaram os primeiros valores de frequências naturais em torno de 62,59 Hz,
Palavras chave: manufatura aditiva, análise modal, estrutura de suporte, FEA, “low-cost”,“3D printer”. 1. INTRODUÇÃO
O modelo de economia baseado no Capital, voltado para a produção em massa e de baixo investimento em qualificação profissional caminha para um esgotamento profissional. Segundo o McKinsey Global Institute (2012) as indústrias de manufatura de países desenvolvidos encontram-se próximas de atingir seu máximo percentual de contribuição. Deste modo, um novo modelo de economia pautado no conhecimento tem se instituído de maneira a moldar uma nova filosofia de trabalho nas indústrias e empresas.
O emprego da tecnologia da informação está intensificado nas áreas de tecnologia e engenharia, estendendo-se a outras áreas do conhecimento, notadamente na área de saúde em países com maior vantagem econômica. Esse crescimento ocorre em menor escala nos processos de manufatura convencional em massa, podendo ser exemplificado pelo aumento de produtos de alta tecnologia voltados para dispositivos eletrônicos e do complexo da área da saúde. De acordo com o McKinsey Global Institute (2012), a inovação em processos de fabricação e produção está se estruturando sob quatro pilares tecnológicos: a) “fábrica virtual” com a modelagem digital, simulação e visualização; (b) melhorias em robótica industrial; c) manufatura verde, promovendo o balanço do gasto energético e emissão de gases e, d) manufatura aditiva. O uso da manufatura aditiva para a obtenção de peças ou uso em montagens mecânicas teve um incremento significativo nos últimos 5 anos. No entanto, menos de 30% dos componentes prototipados foram utilizados como modelos funcionais, protótipos, moldes ou modelos de apresentação (McKinsey, 2012).
A manufatura aditiva, em seu estágio atual de desenvolvimento continua a apoiar o processo de desenvolvimento do projeto, através da geração de protótipos rápidos funcionais e visuais, de estruturas e formas complexas com baixo-volume de peças. Essa característica se torna importante para a personalização de “produtos”, principalmente nas áreas que envolvem a engenharia e a saúde, com projetos dedicados às características de cada paciente.
Próteses, dispositivos biomédicos, tecnologia assistiva ou planejamentos cirúrgicos, com suas soluções específicas requerem ciclos de desenvolvimento do projeto e de fabricação altamente eficientes e de baixo custo. O grau de personalização de projeto nas áreas de bioengenharia é uma característica fundamental, mas que não podia ser atendida de forma satisfatória devido às características da manufatura convencional. Os avanços das tecnologias e, portanto dos processos de manufatura aditiva têm oferecido uma nova perspectiva para essas áreas tornando esses “produtos” viáveis fisicamente. Esses segmentos de aplicações, bem como a
evolução contínua das tecnologias associadas à manufatura aditiva, como, por exemplo, o desenvolvimento e melhoria de materiais, de hardware e software tem tornado o protótipo rápido cada vez mais funcional, próximo das especificações de projeto e fabricação, com características físicas e mecânicas progressivamente superiores. Esse avanço tem possibilitado o desenvolvimento de novos segmentos de aplicação, tanto na pesquisa, quanto na área de desenvolvimento e fabricação.
Este trabalho tem como objetivo desenvolver um modelo computacional de uma estrutura para impressão 3-D de baixo custo (low-end) (Abreu, 2015), para se obter parâmetros de identificação estática e dinâmica. Cabe ressaltar que a referida estrutura será uma plataforma de trabalho para diferentes cabeçotes de deposição (Silveira, et al., 2014), baseado em impressão 3-D.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Para o procedimento de pesquisa utilizou-se recursos computacionais que permitiram a representação gráfica da estrutura a ser analisada de forma fidedigna. Empregou-se programa CAD Solidworks® de modo a identificar incoerências na estrutura e adequá-la às normas e dimensões desejadas conforme ilustrada pela Figura 1. Os dados obtidos com o auxílio de um programa CAD foram utilizados para a elaboração do modelo numérico em elementos finitos no ambiente CAE (Computer Aided Engineering) ANSYS® v.15, APDL. Adotou-se como hipóteses para este modelo:
• Estudo dinâmico da estrutura (análise modal). • Utilização de perfis de alumínio estrutural.
• Estrutura engastada ao solo por quatro pontos de apoio. • Perfis de alumínio engastados entre si.
Figura 1. Modelo geométrico da estrutura
finitos optou-se por elementos de viga do tipo “beam 189” com tamanho de 5 mm. Este tipo de elemento é pautado na teoria de vigas de Timoshenko, a qual assume, entre outros aspectos, que após a flexão da viga a seção transversal não permanece normal ao eixo neutro (Oñate, 2013), o que garante o comportamento de flexo-torção das barras da estrutura.
Foram realizadas simulações para três configurações do equipamento com variação da posição da guia de movimentação do cabeçote. O modelo baseado no método dos elementos finitos da estrutura, com as três configurações está ilustrado na Figura 2.
(a) (b) (c)
Figura 2. Configurações de simulação (a) guia na posição A; (b) guia na posição B; (c) guia na posição C. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A simulação dinâmica contemplou a análise das 10 primeiras frequências de vibração para cada configuração do equipamento conforme apresentado na Tabela 1.
Tabela 1. Valores das frequências naturais da estrutura para 3 configurações Frequência [Hz] Posição A Posição B Posição C
F1 62,572 62,710 62,889 F2 95,099 95,170 94,259 F3 95,238 96,097 95,109 F4 300,57 265,01 300,57 F5 303,94 300,57 302,34 F6 317,14 351,79 315,72 F7 390,19 362,62 388,50 F8 391,79 390,72 389,34 F9 370,00 394,75 399,88 F10 441,59 441,59 441,59
A análise da Tabela 1 indica valores de vibração a partir da quarta frequência variando de três a cinco vezes àqueles das três primeiras. Desta forma, apenas estas serão avaliadas por encontrarem-se dentro da faixa de interesse do estudo. Um dado importante a ser analisado junto aos resultados são os modos de vibrar da estrutura. Esta é uma informação altamente relevante, pois demonstra a forma com que a geometria se deforma (Rao, 2009) possibilitando a identificação das regiões na quais devem ocorrer os maiores deslocamentos em caso de excitação da estrutura em sua frequência natural. Podem-se ser visualizados na Figura 3, os modos de vibrar relativos às três primeiras frequências naturais para a configuração da guia na posição A. Verifica-se que o mesmo padrão se repete para as outras configurações.
(a) (b)
(c)
Figura 3. Modos de vibrar do equipamento (a) Primeiro modo de vibrar (62,572 Hz); (b) Segundo modo de vibrar (95,099 Hz); (c) Terceiro modo de vibrar (95,238 Hz).
Como esperado, os modos de vibrar da estrutura apresentam flexão nos dois primeiros modos e flexo-torção no terceiro, além disso, os pontos de maior deslocamento encontram-se nas extremidades opostas aos apoios e mostram valores elevados que podem representar falhas catastróficas no equipamento. Os dados obtidos nas simulações colaboram para a caracterização do equipamento, identificando as faixas de trabalho
nas quais fenômenos causados por vibrações não interfiram em seu funcionamento e na qualidade de impressão da peça.
3. CONCLUSÕES
Nesse trabalho foi gerado um código, para representar o modelo computacional de uma estrutura de suporte, para acoplamento de cabeçotes com diferentes tecnologias de manufatura aditiva. Os resultados numéricos preliminares indicaram que a primeira frequência natural ocorre em torno de 62,59 Hz, como modo de vibrar em flexão (que atende a literatura de análise modal). Porém, o resultado da frequência natural, ainda é questionável e somente com a validação experimental, por meio de uma análise modal indicará as primeiras frequências naturais da estrutura. Venter (2015) desenvolveu um estudo experimental, que identificou faixas de frequência operacionais, para um equipamento de manufatura subtrativa, indicando faixas em torno de 60 a 80 Hz. Esse dado juntamente com as estimativas de rigidez e amortecimento é fundamental para a melhoria do desempenho dinâmica de equipamentos de impressão 3-D, principalmente do tipo low-end, para os quais se busca a especificação de faixas operacionais confiáveis de trabalho, bem como a obtenção de requisitos de qualidade para a peça final.
4. REFERÊNCIAS
Abreu, S. A. C., 2015, “Impressão 3D baixo custo versus impressão em equipamentos de elevado custo.” Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Mecânica, Universidade do Porto, Porto, 235 p.
McKinsey Global Institute, 2012, “Manufacturing the future: The next era of global growth and innovation”. McKinsey & Company. 184 p.
Oñate, E., 2013, “Structural Analysis with the Finite Element Method. Linear Statics: Volume 2: Beams, Plates and Shells”. Barcelona: Springer Science & Business Media.
Rao, S. S., 2008, ”Vibrações Mecânicas”. 4. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall. 424 p.
Silveira, Z.C.; Inforçatti Neto, P.; Freitas, M.S.; Noritomi, P.Y.; Silva, J.V., 2014, Cabeçote vertical de extrusão para impressora 3-D e processo de extrusão por rosca utilizando o referido cabeçote. INPI nº BR 10 2014 005143 0 A2,
06 mar. 2014, 01 dez. 2015. . Disponível em:
<https://gru.inpi.gov.br/pePI/servlet/PatenteServletController?Action=detail&CodPedido=973919&SearchParamete r=CABEÇOTE DE EXTRUSÃO>. Acesso em: 02 jun. 2016.
Venter, G. S., 2015, “Reduzindo chatter em processos de torneamento através do uso de material piezoelétrico considerando” Dissertação de mestrado, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 84p. Disponível em: <http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18149/tde-06042015-173654/>. Acesso em: 24 maio 2016.
AGRADECIMENTOS
À pró-reitora de pesquisa da USP e ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da EESC-USP; à Divisão de Tecnologias Tridimensionais do CTI – Renato Archer; ao Laboratório de Dinâmica (LabDin) da EESC-USP; ao Núcleo de Manufatura Avançada (NUMA) da EESC-USP; em agradecimento especial à Profa. Dra. Maíra Martins da Silva e à pesquisadora eng. MsC. Giuliana Sardi Venter.
