Engenharia Mecânica CEP Bauru SP 1 UNESP - Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Arquitetura Artes e Comunicação Campus de Bauru

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7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING

15 a 19 de abril de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - Brasil April 15th to 19th, 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil

FABRICAÇÃO DE UM DISPOSITIVO DE USINAGEM POR CONTROLE NUMÉRICO COMPUTACIONAL ALIADA ÀS TECNOLOGIAS CAD/CAM

COMO RESULTADO PRÁTICO DE PROJETO E PRODUÇÃO

COBEF2013-0095João Paulo de Oliveira Freitas, joaopaulo.web@gmail.com 1 André Marcelino, ra911623@feb.unesp.br1

Luiz Antonio Vasques Hellmeister, hellmeister@faac.unesp.br 2

1 UNESP - Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia – Campus de Bauru – Departamento de Engenharia Mecânica CEP 17033-360 - Bauru – SP

1 UNESP - Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Arquitetura Artes e Comunicação – Campus de Bauru – Departamento de Artes e Representação Gráfica CEP 17033-360 - Bauru – SP

Resumo: A alta competitividade e a busca por novas tecnologias que diferenciem o produto através do projeto demandam a utilização de novas ferramentas. Neste contexto surgem sistemas de automação como o projeto assistido por computador – Computed Aided Design (CAD), com modelagem digital, simulação de análise estrutural e produção, executadas em ambiente virtual, através da aplicação de softwares específicos, estão disponíveis a alunos e comunidade em geral, porém o seu uso ainda é restrito. O objetivo geral deste trabalho foi construir um dispositivo de usinagem de Controle Numérico Computadorizado (CNC), subsidiando a aplicação da gestão da metodologia SMPF – Seleção de Materiais e Processos de Fabricação, utilizando a modelagem 3D e o projeto assistido por computador como ferramentas, para posterior usinagem e prototipagem de peças, conjuntos e produtos de madeira e seus derivados. O dispositivo CNC é composto de placas de aquisição, drivers de controle para cada eixo, motores de passo e fonte de alimentação, que compõe a parte lógica-digital do equipamento. O projeto foi manufaturado em madeira MDF, perfis metálicos, guias circulares, rolamentos, fusos e retificadora manual, que compõe o conjunto base-mecânica. Todos esses dispositivos foram construídos e montados com a colaboração da Oficina Mecânica e do Laboratório de Prototipagem da Unesp. Com a montagem da máquina concluída, peças foram desenhadas no software Autodesk Inventor 2011 e a partir delas, com auxílio de software CAM - Computed Aided Manufacturing, foram gerados seus códigos G de leitura e execução de fresagem, simulada no software Cnc Simulator e executada de forma definitiva no software Mach3. A tecnologia CAD e os conhecimentos de planejamento de manufatura afetam diretamente a maneira de aprender, desenhar, projetar e conceber um objeto ou produto, bem como sua inserção na sociedade, de forma a introduzir, aproximar e sedimentar conceitos básicos de desenho, geometria, projeto, modelagem e simulação com vistas à produção de bens, serviços e produtos tecnológicos.

Palavras-chave: usinagem, projeto, CNC, CAD, CAM

1. INTRODUÇÃO

A interdisciplinaridade é hoje uma das principais formas de se conseguir bom conhecimento e capacidade de desenvolvimento de projetos. Sendo assim, a junção entre a Engenharia e o Design resulta em um projetar com arte.

Porém essas duas áreas são muito abrangentes e estão em constante desenvolvimento, é aí que surgem as tecnologias auxiliadas por computador, fazendo o link entre conhecimento técnico de projeto e produção real e direta de prototipagem.

A tecnologia CAD (Computer Aided Design) é responsável pela modelagem em ambiente virtual do produto. Por ela obrigatoriamente passam metodologias constituintes do processo de Engenharia Reversa, com utilização de escaneamento, remodelagem, condicionamento de imagem tridimensional e modelagem base para análise estrutural. Já a tecnologia CAM (Computer Aided Manufacturing) é capaz de simular a produção em chão de fábrica ou mesmo a execução de um processo em máquina como, por exemplo, aquelas de Controle Numérico Computadorizado (CNC) capazes de, a partir de um código base chamado “código G”, executar processos de fabricação de forma automática.

Mas do ponto de vista da Engenharia, é importante saber se tal produto suporta cargas atuantes em seu estado de trabalho. As tensões geradas na estrutura por carregamentos externos podem comprometer a rigidez estrutural do produto, por isso é necessário avaliar a resposta estrutural do produto quando exposto às suas condições de trabalho.

Para isso utiliza-se a tecnologia CAE (Computer Aided Engineering) que toma como base um método numérico

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7 º C O N G R E S S O B R A S I L E I R O D E E N G E N H A R I A D E F A B R I C A Ç Ã O 1 5 a 1 9 d e A b r i l d e 2 0 1 3 . P e n e d o , I t a t i a i a - R J

denominado Método dos Elementos Finitos (MEF), que consiste discretizar a estrutura em pedaços muito pequenos chamados elementos, os quais são formados por nós. O parâmetro base para o método é o deslocamento nodal. Dados os deslocamentos nodais de cada elemento, é possível avaliar o deslocamento de toda a estrutura, e pelo conceito deslocamento e carga aplicada, se obter a tensão local atuante. Com as tensões locais atuantes, é possível se fazer a análise dos critérios de falha para o projeto, determinando se o produto suporta ou não suas condições de trabalho.

Grande parte da análise realizada em aços, por exemplo, se dá comparando as tensões de Von-Mises com a tensão de escoamento (análise estrutural estática) ou tensão de ruptura (análise de mecanismos). Com o MEF é possível avaliar frequências de vibração da estrutura, ou até condições de escoamento de fluido e transmissão de calor (Análise CFD).

Como comprovações da aplicabilidade dessas tecnologias digitais no projeto e produção de equipamentos e modelos, pode-se citar o desenvolvimento de uma máquina CNC pelo grupo responsável por esse artigo. A máquina passou por todas as áreas em questão, comprovando a importância da utilização de tais ferramentas virtuais. Também foram testados mecanismos de obtenção de imagem tridimensional como o escaneamento a laser, para aplicação dos conceitos de Engenharia Reversa, que consiste em desenvolver novos produtos a partir da observação de produtos já existentes.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Pensando-se em tecnologias auxiliadas por computador, pode-se citar como softwares CAD: SolidEdge, Solidworks, Inventor, entre outros. Esses softwares, já testados pelo grupo, forneceram bons resultados no processo de modelagem tridimensional de produtos. Dos quais o segundo foi aquele que forneceu maiores ferramentas quanto à aplicação dos procedimentos de Engenharia Reversa, condicionando imagens obtidas por escaneamento 3D em sólidos manipuláveis em ambiente CAD, mesmo fazendo uso apenas de sua versão grátis.

A disponibilidade dessas ferramentas de forma mais interativa não exclui a importância dos dois outros softwares que também possibilitam o trabalho com a tecnologia de Engenharia Reversa, mas necessitam de pacotes extras conhecidos como “plugins” para o fornecimento de ferramentas adaptáveis a tais casos. Não se levando em conta a aplicação das tecnologias reversas, SolidEdge e Invertor apresentam excelentes plataformas para modelagem bi e tridimensional. Toda a máquina produzida pelo grupo foi projetada em SolidEdge, o mesmo software utilizado no ensino de Engenharia na UNESP Bauru.

Para ferramenta CAM existem vários softwares, capazes de converter a imagem tridimensional em linguagem de máquina para que o CNC possa executar o processo de fabricação. Mas não é só de conversão que se alimenta o software CAM, pois ele é capaz de simular processos produção muito bem. Um bom exemplo de software é o MasterCAM, ArtCAM, entre outros.

As ferramentas CAE são as de preço mais elevado, por serem constituídas não só por um software de geração de modelo de análise, mas também por pacotes de cálculos estruturais. Alguns softwares como Ansys em plataforma Multiphysics ou Workbench apresentam bons resultados e são muito conhecidos na área de cálculo estrutural, bem como o software Femap & NX Nastran. Nesses softwares, a partir de modelos CAD, é possível se gerar malhas de elementos, restringir regiões de fixação e aplicar cargas, de forma a analisar os resultados provenientes de deformações e concluir a capacidade de resistir ou não à condição de trabalho do produto. É importante dizer que os softwares CAE quase nunca são aplicados em manufatura de produtos ornamentais, apenas em peças que estão sujeitas a condições desfavorecedoras do ponto de vista da peça, sendo necessária a análise estrutural. Também é válido destacar que tais ferramentas não analisam apenas condições estáticas estruturais, mas também dinâmicas e não lineares, como deslocamento de fluido e condições de impacto, por exemplo. Sua principal aplicação é na otimização de produtos, reduzindo massa e mantendo-se a resistência, ou mesmo para corrigir problemas que ocorrem em um produto já no mercado.

O dispositivo CNC é composto de placas de aquisição, drivers de controle para cada eixo, motores de passo e fonte de alimentação, que compõe a parte lógica-digital do equipamento. O projeto foi manufaturado em madeira MDF, perfis metálicos, guias circulares, rolamentos, fusos e retificadora manual, que compõe o conjunto base-mecânica. Todos esses dispositivos foram construídos e montados com a colaboração da Oficina Mecânica e do Laboratório de Prototipagem da Unesp para o desenvolvimento da máquina CNC já citada.

A construção da máquina foi desenvolvida em um ano e meio, tempo em que o projeto foi reavaliado. A reavaliação forneceu informações que levaram a alterações de fixações de equipamentos como a retificadora manual.

Essa retificadora é a responsável, em conjunto com a ferramenta de corte, gerar a o fresamento do material a ser usinado.

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Figura 1. Processo resumido de construção da máquina CNC.

O procedimento de utilização das ferramentas auxiliadas por computador é básico. Primeiramente modela-se a peça em software CAD. Necessitando-se da análise estrutural do projeto, utiliza-se o modelo CAD e monta-se o projeto de malha e análise em software CAE. Conferindo-se a geometria, gera-se o código G que também é simulado em software CAM. Se o código e a execução estiverem corretos, basta executar o processo de fabricação, enviando os dados à máquina CNC, responsável por executar o processo de forma automática. O envio desses dados pode ser feito através do software testado, Mach3 versão teste, capaz de enviar os sinais às placas de comando dos eixos X, Y e Z da máquina fresadora. O deslocamento agrupado dessas coordenadas fornece um comando de corte executado e consequentemente a execução do processo completo de fresagem.

Porém, antes da execução do processo de corte, é importante calibrar a máquina. A calibração foi realizada gerando-se um código G simples de uma letra “M”. No lugar da fresa, foi fixada uma caneta e a máquina foi acionada.

O desenho apresentado pela máquina, foi então medido e comparado com as medidas implementadas no código G. A razão entre medidas correspondentes apresenta um fator de correção (FATC). Cada eixo possui um fator de correção que é multiplicado pelo valor padrão da resolução do passo/min do software Mach3.

Figura 2. Processo resumido de construção da máquina CNC.

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Figura 3. Processo realizado na primeira calibração da máquina.

3. RESULTADOS

Como resultado do processo CAD, pode-se citar o desenho da própria máquina desenvolvida, a qual foi projetada em software SolidEdge.

Figura 4. Desenho tridimensional da máquina desenvolvido em software CAD.

Como resultado prático do projeto auxiliado por computador, se tem a fabricação da própria máquina. Algo que merece destaque é que a máquina construída é capaz de executar outras peças que tenham passado pelo próprio procedimento de desenvolvimento dela própria, porém não sendo necessária a execução manual do processo de fabricação. A ideia do projeto é a partir da máquina atual ser capaz de produzir uma irmã que seja construída pela primeira.

Figura 5. Máquina construída a partir da concepção e projeto em CAD.

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Figura 6. Apresentação da máquina já concluída no VI Workshop de Design e Materiais.

4. CONCLUSÃO

A importância da utilização da tecnologia assistida por computador é clara e pode ser comprovada facilmente. Os processos CAD, CAM e CAE, além de acelerarem o processo de produção, reduzem custos no quesito de prototipagem e economia de material. Hoje as empresas que não seguem o padrão tecnológico de projeto e produção estão ficando fora do mercado, por isso há uma importância clara da aplicação desses processos.

Como se pode visualizar nas imagens e no contexto geral do trabalho, a máquina construída comprova de forma prática e objetiva a aplicabilidade do projeto CAD e CAE. A partir da máquina em questão é possível executar o processo completo utilizando também a tecnologia CAM, porém dessa vez sendo executada a manufatura de forma automática. O mesmo não aconteceu em uma primeira etapa, onde a construção da máquina foi manual. Aqui entra então uma sugestão para trabalho futuro: o desenvolvimento de uma nova mecânica CNC a partir da primeira construída.

5. AGRADECIMENTOS

PROEX, aos técnicos Paulo e Natália da Oficina de Prototipagem da FAAC e ao técnico Ulisses do Laboratório CNC da Oficina Mecânica da FEB.

6. REFERÊNCIAS

Bonsiepe, G. A., “Tecnologia da Tecnologia”. São Paulo: Edgard Blücher,.1983.

Hellmeister, L. A. V., Marar, J. F., Sementille, A. C. ; Freitas, J. P. O., “Difusão de tecnologia CAD e CNC como ferramenta básica de criação e produção em pequena escala, acessível à comunidade”. IGIP 2011, Santos. Caderno de Resumos, 2011.

7. DIREITOS AUTORAIS

Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

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15 a 19 de abril de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - Brasil April 15th to 19th, 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil

MANUFACTURE OF A DEVICE OF MACHINING BY COMPUTER NUMERICAL CONTROL ALLIED TECHNOLOGIES CAD / CAM AS A

PRACTICAL RESULT OF PROJECT AND PRODUCTION

João Paulo de Oliveira Freitas, joaopaulo.web@gmail.com 1 André Marcelino, ra911623@feb.unesp.br1

Luiz Antonio Vasques Hellmeister, hellmeister@faac.unesp.br 2

1 UNESP - Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia – Campus de Bauru – Departamento de Engenharia Mecânica CEP 17033-360 - Bauru – SP

1 UNESP - Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Arquitetura Artes e Comunicação – Campus de Bauru – Departamento de Artes e Representação Gráfica CEP 17033-360 - Bauru – SP

Abstract: The high competitiveness and the search for new technologies that differentiate the product through the project require the use of new tools. In this context arise automation systems as Computer Aided Design (CAD) with digital modeling, simulation of structural analysis and production, performed in a virtual environment through the application of specific software, are available to students and general community, however its use is still limited.

The purpose of this study was to build a device of machining by Computer Numerical Control ( CNC), subsidizing the implementation of management SMMP - Selection of Materials and Manufacturing Processes, using 3D modeling and computer aided design as tools for subsequent machining and prototyping of parts, assemblies and products of wood and its derivatives. The CNC device is composed of acquisition plaques, drivers of control for each control axis, stepper motors and power source, which comprises the part logical-digital of the equipment. The project was manufactured in MDF wood, metal profiles, circular guides, bearings, spindles and grinding manual, which makes up the base set-mechanics. All these devices were built and assembled in collaboration with the Mechanical Workshop and Prototyping Laboratory at UNESP. With the machine assembly completed, pieces were designed in Autodesk Inventor 2011 and from them, with the support of CAM software - Computed Aided Manufacturing, G codes of reading and grinding process were generated, simulated in Cnc Simulator and executed definitively in Mach3. The CAD technology and knowledge of manufacturing planning directly affect the way we learn, draw, project and develop an object or product, as well as their integration into society, in order to enter, close and consolidate basic concepts of drawing, geometry, project , modeling and simulation in order to produce goods, services and technology products.

Keywords: machining, project, CNC, CAD, CAM

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