TÍTULO: PARAMETRIZAÇÃO E DESIGN ASSOCIATIVO EM SOFTWARE CAD 3D PARA AUTOMAÇÃO DE PROJETOS MECÂNICOS
TÍTULO:
CATEGORIA: CONCLUÍDO
CATEGORIA:
ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURA
ÁREA:
SUBÁREA: ENGENHARIAS
SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO: FACULDADE DE TECNOLOGIA TERMOMECÂNICA
INSTITUIÇÃO:
AUTOR(ES): VANDEILSON LIMA NOBRE
AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): ANDRÉ FERRUS FILHO, FABIO RUBIO, NILSON YUKIHIRO TAMASHIRO, VALDIR COSTA
1. RESUMO
No Brasil, a maioria dos equipamentos mecânicos modelados em softwares CAD 3D se utilizam de uma metodologia tradicional denominada Bottom Up, que gera grande esforço para alteração de desenhos, que é feita manual e individualmente e não permite o compartilhamento de dados entre peças e submontagens, podendo conter referências cruzadas, o que torna a montagem suscetível a erros e eleva o tempo na elaboração dos desenhos. Foi proposto um roteiro de planejamento a ser aplicado em equipamentos mecânicos de forma a possibilitar o uso de uma metodologia de modelamento onde há a troca de informações entre as diversas peças do produto, permitindo a automação dos processos de modelamento 3D e montagem virtual. Com isso, se consegue uma drástica redução no tempo necessário para alteração do equipamento, eliminação de erros dimensionais, de posição e interferências entre peças, permitindo a personalização do tamanho e configuração do equipamento através de um celular, notebook ou tablet remoto ao software de desenho.
2. INTRODUÇÃO
Atualmente a tecnologia CAD 3D é fator obrigatório para as empresas se manterem competitivas, proporcionando o aumento da produtividade industrial e confiabilidade de um projeto, que é validado virtualmente e lançado no mercado com menor custo, tempo e de forma a satisfazer as necessidades dos clientes (FACHINELLO, 2006). Os softwares CAD 3D atuam na fase de projeto promovendo sua otimização de tempo em diversos segmentos industriais, como na análise de estruturas e componentes mecânicos, análises de vibração, térmica e de tolerâncias em montagens. No entanto, os atuais softwares podem ser integrados a outros processos informatizados, como PDM (Gerenciamento de Dados do Produtos), ERP (Planejamento de Recursos Empresariais) e PLM (Gerenciamento de Ciclo de Vida de Produtos) promovendo melhoria na comunicação entre os setores e do sistema produtivo como um todo (KANITAR, 2005).
Araújo (2013) relata sobre o custo final de um produto, afirmando que a fase de projeto representa 5% dos custos, enquanto os 95% são atribuídos à
etapa de manufatura. Todavia, cerca de 80% do custo de manufatura pode ser influenciado pelas decisões da etapa de projeto, ou seja, são decisões que podem inviabilizar a produção. Deming (apud GUELBERT, 2008) afirma que promover uma redução no retrabalho de peças, atrasos e erros de produção implica no aumento da qualidade final e confiabilidade do produto.
Na pesquisa de Bremer e Lenza (2000) há um estudo sobre tipologias para referência de produção, afirmando que há uma tendência para as empresas basearam sua manufatura padronizando parte de seus produtos, agilizando sua produção, contudo permitindo que seus clientes personalizem partes específicas de interesse, focando na satisfação do mercado, semelhante a indústria automobilística.
São poucos os trabalhos recentes abordando esse assunto. Santos (2011) propôs a parametrização de um subsistema mecânico para geração automática de listas de materiais, fichas de corte e mapas de solda. Lima (2010) realizou a automação de modelamento de um componente mecânico a partir de uma tabela .xml por meio da programação de um aplicativo. O uso de celulares e notebooks com acesso a internet está cada vez mais comum para compartilhamento de informações, download de arquivos e apoio a tarefas cotidianas. O serviço de computação em nuvem se mostra uma tendência e agrega valor à empresa trazendo um ambiente colaborativo e simultâneo de instituições geograficamente distantes.
A presente pesquisa atua em cima da importância da fase de projeto, da necessidade do uso de software CAD 3D para trabalhar na otimização desse processo e na tendência do uso da computação em nuvem para trazer mais agilidade à empresa manufaturar seus produtos baseados em seus clientes, com confiabilidade e qualidade.
3. OBJETIVOS
Elaboração de um roteiro de planejamento para produtos mecânicos em software CAD 3D a fim de promover um aumento da confiabilidade e redução no tempo gasto de projetos.
Elaborar o roteiro de planejamento, realizar a automação dos processos de modelamento e montagem no software e torná-lo configurável através de um smartphone remoto às instalações da empresa.
4 - METODOLOGIA
O método realizado nessa pesquisa será abordado em 3 partes. A primeira faz referência ao estudo do produto mecânico a fim de estabelecer sua estrutura completa, com submontagens, peças e estabelecer os pontos a serem personalizados pelo cliente em uma compra. A segunda parte diz respeito a definição dos parâmetros necessários para criação de todas as partes e peças do produto e a criação de um arquivo de Excel® para realizar seu controle dimensional. A última parte relata sobre a automação do projeto via software Autodesk® Inventor 2016 e a configuração do equipamento através de um smartphone.
A metodologia será validada a partir da aplicação e resultados obtidos em uma família de vasos de pressão horizontais em função da experiência do autor com a venda e projeto desse equipamento.
Figura 1: Vaso de pressão horizontal
4.
DESENVOLVIMENTO
4.1 Estrutura do equipamento mecânico
Foi definido a estrutura geral do equipamento em submontagens e subpartes, incluindo todas as peças que fazem parte do conjunto. Em seguida, foi determinado sua estrutura padronizada e quais pontos possíveis de personalização. Essa etapa demanda um estudo aprofundado por parte da empresa em relação a sua capacidade de fabricação, incluindo normas de
projeto do produto e possibilidades de variações do mesmo de forma a atender seus diversos clientes.
A estrutura do vaso de pressão pode ser vista na figura 2. O equipamento será composto de 5 modelos de diferentes tamanhos, cada um com valores fixos de diâmetro externo, comprimento do corpo e distância do centro do vaso em relação ao chão. Os pontos personalizáveis são:
Seleção dos diâmetros dos bocais (Entrada e Saída);
Ângulo dos bocais (0, 45, ou 90 graus em relação a horizontal); Distância da face externa do Flange ao centro do vaso;
Distâncias dos bocais em relação a linha de tangência do tampo inferior.
Figura 2: estrutura definida do vaso de pressão
4.2 Arquivo de Excel® para controle
Uma vez a estrutura definida foram estabelecidos todos os parâmetros necessários para a modelagem de cada peça e os de posicionamento das submontagens. Uma planilha estruturada no Excel® foi elaborada, sem cabeçalho e com 3 colunas conforme figura 3. A primeira coluna da esquerda faz referência ao nome do parâmetro, a segunda se trata do valor que a primeira assume e a terceira representa a unidade de medida adotada. No total foram utilizados 56 parâmetros para o mapeamento completo do vaso.
Foi desenvolvida uma planilha para servir de interface com o usuário. Deve ser clara e intuitiva de forma a não gerar dúvidas além de permitir a escolha do modelo do vaso e a personalização dos pontos mencionados no capítulo 5.1, semelhante a um catálogo virtual de um produto, conforme figura 4. Na interface apreentada as dimensões vermelhas com fundo amarelo são os padrões fixados para cada modelo do vaso e o cliente pode fazer a sua configuração digitando os valores nas células com fundo azul, conforme a necessidade de sua instalação.
Figura 4: Planilha que servirá de interface com o usuário
Dentro do arquivo de controle foi criado uma terceira planilha que serve de banco de dados, apresentada na figura 5. Foram incluídas tabelas dimensionais de peças normatizadas e os valores pré-fixados dos modelos do vaso para serem consultadas através de fórmulas do Excel®.
Figura 5: planilha de banco de dados
4.3 Modelamento e montagem
A partir do gerenciador de parâmetros do Inventor 2016 foram importados todos os dados alocados na tabela do item 5.2 para um arquivo de
peça denominado Arquivo Esqueleto. Nele foram elaborados 6 Sketchs (corpo, tampo superior, tampo inferior, tubulação de entrada, tubulação de saída e dreno) contendo linhas de centro, círculos de referência, planos, eixos e pontos a partir dos parâmetros importados. O arquivo pode ser visualizado na figura 6.
Figura 6: Arquivo esqueleto do vaso de pressão
Após montar o Arquivo Esqueleto foram elaboradas as submontagens e suas peças individuais, onde todos seus parâmetros de modelagem foram derivados do Esqueleto através do recurso Derive do Inventor. Uma vez modelados todos os componentes, os mesmos foram inseridos no arquivo final do vaso de pressão e aterrados à sua posição de origem, dispensando o uso de qualquer restrição de montagem, como pode ser observado na figura 7.
Em seguida o arquivo de controle foi compartilhado na plataforma Dropbox® para que pudesse ser acessado e configurado através de um smartphone. O dispositivo necessita de acesso à internet e o aplicativo Excel instalado e atualizado.
5.4 Teste de validação
O teste que se segue é necessário como comprovação da eficiência da automação dos processos de modelamento e montagem em relação à economia de tempo no projeto. Para tal foi proposto um comparativo no tempo gasto para modelar e montar o produto completo, partindo de dois arquivos de projeto do vaso de pressão, um parametrizado e seguindo o roteiro de planejamento apresentado no capítulo anterior e o outro seguindo metodologias convencionais de modelamento. As condições do teste seguem na Tabela 1 Diâmetro Externo Compri mento Centro ao chão Bocal entrada Distância Tampo Bocal saída Distânci a Tampo Flange ao centro Vaso Inicial 1000 1400 650 3" @ 0º 600 3" @ 0º 550 800 Vaso Final 1000 1400 650 4" @ 90º 545 5" @ 0º 650 775
Tabela 1: condições iniciais e finais para teste de eficiência
5. Resultados
Comparando os tempos gastos para os vasos na Tabela 1, nota-se que o equipamento automatizado requereu 87% a menos de tempo em relação ao vaso modelado e montado convencionalmente. No primeiro caso, todo o tempo gasto resulta da configuração do equipamento pela planilha de Excel®, contudo seu modelamento e montagem foram realizados instantaneamente, sem a necessidade de restrições de posicionamento e sem erros. No segundo caso, as alterações tiveram de ser feitas manualmente e embora tenha feito uso dos componentes de biblioteca padrão do software, houveram pequenas dificuldades em relação a alteração dos ângulos dos bocais no ambiente de montagem, sendo necessário excluir algumas restrições para acrescentar outras no lugar, e na determinação do comprimento do tubo das tubulações de
entrada e saída que hora ficava pequeno hora extenso, sendo necessário mais tempo para ajustar o comprimento ideal. A tabela 2 apresenta o comparativo de tempo.
O sistema mobile funcionou da mesma maneira que em um notebook convencional, permitindo a completa configuração do vaso, conforme figura 8.
Figura 8: Acesso à planilha de controle através de dispositivo celular
6. Considerações finais
A metodologia proposta utiliza os recursos básicos de softwares CAD 3D paramétricos, podendo ser aplicada em outros softwares do mercado como CATIA, Solidworks, NX. Como resultado, a montagem do equipamento não apresentou inconsistências ou restrições de posição e pôde ser empregada
Modelamento 3D Montagem Tempo Total (mm:ss) Vaso Parametrizado 01:13 00:00 01:13 Vaso não parametrizado 04:03 06:05 09:08
Tabela 2: resultado de teste de eficiência do modelamento proposto, apresentando 87% de redução no tempo.
sem o uso de arquivos da biblioteca padrão do software, reduzindo a capacidade computacional requerida e ampliando sua penetração no mercado atual. O roteiro de planejamento pode ser seguido para qualquer equipamento mecânico, seja em sua totalidade ou um subconjunto, para a automação de modelagem 3D e montagem. Contudo é necessário grande conhecimento do produto por parte da empresa, bem como de seus processos de fabricação e preferência dos clientes para que o resultado do trabalho seja de fato eficaz.
Por fim a redução do tempo gasto, quando feita em comparação ao método convencional de desenho foi visível, entretanto a porcentagem da eficiência pode ser maior ou menor dependendo da habilidade do projetista ao manusear o software CAD ou em seu conhecimento de como o projeto foi desenhado. O sistema de compartilhamento pela plataforma Dropbox® demandou uma conta logada em um smartphone, além de ter o aplicativo da plataforma e do Excel instalados no aparelho; contudo uma vez cumpridos esses requisitos o arquivo permitiu que o usuário faça as alterações desejadas.
7. Fontes Consultadas
BALASTRERO JUNIOR, José Orlando; NUNES, Luiz Eduardo Nicolini do Patrocínio. Modelagem e otimização de componentes em sistemas cad 3d com a utilização de geometrias paramétricas. Sinergia, São Paulo, v. 12, n. 1, p.84-92, abr. 2011. Quadrimestral. Disponível em: <http://www2.ifsp.edu.br/edu/prp/sinergia/complemento/sinergia_2011_n1/pdf_ s/segmentos/artigo_09_v12_n1.pdf>. Acesso em: 23 mar. 2016.
BORBA, Rodrigo. Sistemática para gerenciamento de projetos em pequenas empresas do setor metal mecânico que operam com engenharia sob encomenda e pressão sob prazos. 2011. 58 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia de Produção e Sistemas, Universidade do Estado de Santa Catarina, Joinville, 2011.
BREMER, Carlos Frederico; LENZA, Rogério de Paula. Um modelo de referência para gestão da produção em sistemas de produção Assembly to Order: ATO e suas múltiplas aplicações. In: BREMER, Carlos Frederico;
LENZA, Rogério de Paula. Um Modelo de Referência para Gestão da Produção. São Carlos: [s.n.], 2000. p. 269-282.
BURATO, Carlos Umberto; SANTOS, Alan Garcia. Parametrização com Abordagem Top-Down e Uso de Skeletal Modeling para Equipamentos Mecânicos. In: AUTODESK UNIVERSITY BRASIL, 4., 2014, São Paulo. Sessões de Indústria - Manufatura e design. São Paulo: [s.n.], 2014. p. 1 - 10.
FACHINELLO, Tatiana. Análise da implantação de um sistema de gestão do ciclo de vida do produção no processo de desenvolvimento de produtos de uma empresa de tecnologia: um estudo de caso. 2006. 150 f. Dissertação (Mestrado) – Curso de Engenharia de Produção, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2006.
GUELBERT, Marcelo. GEM – Gestão estratégica da
manufatura: proposta para integração de ferramentas na produção em médias empresas. 2008. 248 f. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia de Produção, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2008.
KANITAR, Fátima Passos. Análise do desenvolvimento dos sistemas CAD/CAE/CAM no Brasil nos diversos setores do conhecimento sob a ótica da propriedade industrial. 2005. 168 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Tecnologia, Centro Federal de Educação Tecnológica Calso Suckow da Fonseca, Rio de Janeiro, 2015.
LIMA, Jeovano de Jesus Alves de. Uma Contribuição para a Integração entre Sistemas CAE e CAD com o Desenvolvimento de um Aplicativo. 2010. 102 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia de Produção, Universidade Metodista de Piracicaba, Santa Bárbara D'oeste, 2010.
SANTOS, Alan Garcia. Desenvolvimento de metodologia para parametrização de equipamentos mecânicos pressurizados. 2011. 141 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Mecânica, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2011.
