TÍTULO: ANÁLISE PLA X MADEIRA BALSA PARA O USO EM AERODESIGN
CATEGORIA: CONCLUÍDO
ÁREA: CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
SUBÁREA: Engenharias
INSTITUIÇÃO: Centro Universitário Eniac - ENIAC
AUTOR(ES): DIEGO BERNARDINO BUGATTI DOS SANTOS, ANA CAROLINE SILVA SANTOS, MARIA DO CARMO ALVES DE BRITO
1. RESUMO
O estudo tem como objetivo desenvolver uma comparação entre Ácido Poli Lático (PLA) como material substituto para a madeira balsa, a ser aplicado na construção de partes que podem compor o projeto de uma aeronave a partir da prototipagem 3D, com o intuito de participar da competição SAE BRASIL 2020, na categoria Micro de Aerodesign. Baseando-se em uma rica revisão bibliográfica de ambos os materiais, e realizando a manufatura aditiva comumente conhecida como impressão 3D, comparando suas aplicações e sua posição dentro do mercado considerando custo e processos, foi possível concluir que o PLA poderá substituir a madeira balsa trazendo benefícios para estrutura e diminuindo o custo. Utilizando o método de impressão 3D para manufatura de peças, de forma atender o objetivo central da competição que é atingir a melhor eficiência, sendo a relação entre a carga paga x peso da aeronave, que é um importante fator de pontuação na competição SAE BRASIL. Houve uma diminuição do custo da peça estudada em quase 66%, o PLA também apresenta melhor resistência mecânica, embora sua densidade seja maior, é possível diminuir o peso pois a aeronave utilizará quantidades menores de peças para construção da sua estrutura.
Palavras-chave: Impressão 3D, PLA, Madeira Balsa, Aeronave. 2. INTRODUÇÃO
A competição de aerodesign da SAE BRASIL, é uma das maiores competições acadêmicas do segmento aeronáutico da atualidade, com intuito de proporcionar ao aluno uma experiência diferenciada de trabalho em equipe e desenvolver novas habilidades nos ramos de pesquisa e implementação de novas tecnologias. Esta competição é realizada anualmente, possuindo diversas categorias, dentre elas a categoria Micro, na qual a Instituição de Ensino ingressou no ano de 2019, e iniciou o grupo de aerodesign desde 2019. A participação consiste em conseguir atender os pré-requisitos da categoria podendo ainda alcançar melhor eficiência no projeto, por meio de pesquisas e melhorias no desenvolvimento da aeronave.
materiais podem contribuir na redução de peso da aeronave de forma a não impactar na resistência da sua estrutura e capacidade de carregamento.
A impressão 3D é um método utilizado para a manufatura de objetos e/ou produtos a partir da modelagem em softwares de design, tendo como principal foco a confecção de protótipos de peças que geralmente não são comercializadas (GOMES et al., 2019), podendo ser utilizada também na produção de componentes, para diversos setores como, por exemplo, na construção civil, na área aeroespacial e na medicina.
3. OBJETIVOS
O trabalho em questão tem como objetivo produzir e comparar as propriedades mecânicas do PLA em relação aos da madeira balsa para aplicar na manufatura de peças a serem utilizadas na construção de aeronave para competição de Aerodesign SAE Brasil na Classe Micro. Para tanto, será necessário definir os métodos de construção das peças que geram as melhores relações de peso e resistência mecânica para então determinar se será vantajoso a substituição da madeira balsa pelo PLA produzido por manufatura aditiva.
4. METODOLOGIA
As metodologias aplicadas no desenvolvimento deste estudo de materiais foram baseadas em uma rica revisão bibliográfica, fundamentando-se em livros, artigos e experiências da comunidade científica acerca deste assunto, com a utilização de ferramentas voltadas para o desenvolvimento acadêmico.
Atualmente no mercado existem diversos softwares voltados para modelagem 3D, dentre eles o Tinkercad, que segundo é uma ferramenta online gratuita desenvolvida pela Autodesk, com finalidade acadêmica, podendo ser utilizada para elaboração de modelos 3D em CAD, circuitos eletrônicos e blocos de código (PRADO, 2020; BELL, 2019).
Após a realização de modelagem o arquivo CAD é lançado ao Ultimaker CURA, o software de fatiamento utilizado para transmitir o projeto 3D à impressora, onde é feita a configuração de diversos fatores relacionados à impressão do protótipo, como por exemplo, resolução e altura de cada camada de filamento à ser
depositado na peça. É possível definir também a densidade ou infill, onde uma peça com infill 100% é um objeto sólido e um com 10% será um objeto oco.
As definições apresentadas anteriormente influenciam diretamente na velocidade de impressão, que se refere à velocidade que o extrusor se moverá enquanto estiver depositando o filamento, em vista, de que a otimização da impressão está ligada diretamente ao nível de detalhes do objeto e ao material que está sendo utilizado (VITTI, 2019).
Neste trabalho serão apresentados dois materiais que podem ser utilizados na confecção de peças e partes da construção de aeronave para de Aerodesign SAE Brasil na Classe Micro, abaixo serão apresentadas as características de cada material.
A madeira Balsa é uma espécie de madeira, com alta resistência às tensões, baixa densidade e que possui maciez e facilidade de ser trabalhada, considerada uma das madeiras comerciais mais leves, com alta utilização nos ramos náuticos e aeronáuticos (HELLMEISTER, 2017). Por apresentar baixa densidade e alta resistência, ela é muito utilizada principalmente na competição de aerodesign da SAE Brasil, pois possui uma alta eficiência na otimização de peso da aeronave.
Já o polímero poliácido lático, comercialmente conhecido como PLA, é um dos tipos de filamento usado em prototipagem, sendo um material termoplástico semicristalino, biocompatível e biodegradável, não tóxico e com boas característica térmica e química, apresentando excelente resistência mecânica, fácil moldabilidade, alta resistência ao impacto e de custo baixo, tornando-o acessível e interessante para a impressão 3D (GOMES et al., 2019).
Segundo Cavalcanti (2012), o PLA é obtido através da polimerização do ácido lático, que por sua vez é produzido a partir da fermentação de microrganismos ou por meio de processo petroquímico convencional, sendo um produto biodegradável e com um tempo de degradação muito inferior aos plásticos convencionais, em torno de 2 a 6 anos, o que torna esse polímero um material de baixo impacto ao meio ambiente.
5. DESENVOLVIMENTO
O primeiro passo para confecção de molde com material PLA para avalição foi a elaboração de modelagem 3D, realizada na plataforma Tinkercad, conforme mencionado no tópico Metodología.
Após o desenvolvimento do desenho da peça, o arquivo CAD foi lançado ao
software Ultimaker CURA onde foi feita toda a configuração de parâmetros de impressão.
A impressão 3D foi realizada na impressora TEVO® Tornado que é um equipamento extremamente básico e muito utilizado para Hobbies e por makers iniciantes, com filamento PLA na cor vermelha, o modelo impresso é o demonstrado na figura 01.
Figura 01 - Modelagem 3D do perfil impresso
Fonte: Autor, 2020
O modelo levou 1h10 min para ficar pronto, e tem massa de 7g, o setup de impressão para esse modelo foi uma camada com altura de 0,02mm, com velocidade média, e o preenchimento interno de 70%, as medidas finais da impressão foram 169.4mm x 36.1mm x 4.1 mm, com a seguinte relação de densidade:
Massa = 7g Peso = 68,6N
Volume = 25,072894 cm³ Densidade = 0,27918 g/cm³
O objeto impresso em PLA foi impresso conforme o setup, conforme demonstra a figura 02.
Figura 02 - Perfil impresso em PLA
Fonte: Autor, 2020
6. RESULTADOS
Segundo (GOMES) no artigo desenvolvido no ano de 2019, onde houve ensaios de tração, do material impresso em filamento PLA, os resultados demonstraram uma média de tensão de ruptura de 21,307 MPa.
Figura 03 - Gráfico ensaio de tração do PLA
Fonte: Gomes et al., 2019.
A Madeira Balsa apresenta uma resistência entre 11.768 MPa e alcança até 19.613 MPa em suas versões comerciais mais comum (DANIELS, 2020) , dessa forma mesmo que com a sua resistência máxima do estudo abordado, não supera o material PLA.
A impressão 3D demonstra uma resistência satisfatória, embora não testado de maneira laboratorial para quantificar as diferenças entre os materiais, ao flexionar
o material impresso em PLA na sua região mais frágil que é na parte fina, o material não quebrou com facilidade, e a vantagem sobre a madeira Balsa é que não há uma região de maior fragilidade, onde há grandes perdas de peças na hora da montagem de estrutura a base de madeira balsa, gerando necessidade de remendos ou de novos cortes de peças, aumentando o custo pelas perdas.
O custo de impressão é extremamente baixa, atendendo a um dos requisitos importantes da equipe que é o custo, quando comparado a madeira Balsa o custo da impressão 3D é de aproximadamente 34% do seu concorrente, uma economia de quase 66%.
Custo da peça em PLA R$ 0,98 são 7 g do material com custo de R$ 140,00/kg, encontrado em muitos fornecedores no Mercado Livre com boas avaliações, já considerando o frete.
Custo da peça em madeira Balsa é de R$ 2,87 considerando o custo da placa R$ 31,64 com medidas de 4mm de altura com 100 mm x 930 mm, com a peça medindo 16,9 cm x 3,6 cm e foi considerado então um espaçamento de um corte para outro de 0,5 cm em cada um dos lados, acrescentando, com corte utilizando as medidas de 17,9 cm x 4,6 cm do material, com essas dimensões é possível cortar 11 placas, essa placa foi orçada na AEROTECH MODELS, e foi dispensado o custo do frete.
Por não ter acesso a fazer uma peça do mesmo formato em madeira Balsa, para efeitos de comparação imediato foi utilizado como base a densidade, o compensado de madeira balsa tem densidade de 0,213 cm³/g (HELLMEISTER, 2017), e é mais leve que a Impressão em PLA que apresentou uma densidade de 0,279 cm³/g, uma diferença de 23,65%, entretanto há duas importantes comparações a serem observadas.
1 – O setup influencia diretamente no peso da peça, pois se for impresso com menor preenchimento a densidade diminui, logo a peça pode tanto ser mais densa ou menos densa, a depender da necessidade definida, por meio das propriedades mecânicas necessárias, sendo assim a impressão 3D atende a necessidade podendo ter uma peça mais leve, porém com menor resistência, até uma peça totalmente sólida que será mais resistente e consequentemente mais densa.
2 – O número de nervuras que constituem a estrutura da asa variam de acordo com a resistência do material, uma vez encontrado os números exatos da
resistência do material é viável diminuir o número de peças, o que impacta diretamente no peso da asa.
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Observando o material PLA e a madeira balsa, conforme os estudos realizados e tendo como base a literatura utilizada para o desenvolvimento dessa pesquisa, podemos identificar que o PLA apresenta uma melhor resistência se comparado à madeira balsa, valendo destacar que a metodologia adotada para impressão 3D impacta diretamente nesse resultado, podendo variar de acordo com a espessura de camadas utilizada.
Outro ponto importante que podemos destacar é a diferença expressiva de custo entre os dois materiais, onde identificamos o PLA sendo 34% o custo da madeira balsa, sendo assim muito mais viável de ser aplicado ao projeto.
Após todos os estudos e experimentos realizados, pode-se indicar o PLA como um possível substituto para a madeira balsa, na aplicação da construção de aeronave para competição de aerodesign na classificação micro da SAE BRASIL.
8. FONTES CONSULTADAS
BELL, Donald (org.). 3D Printing Materials Guide for Classrooms. 2019. Disponível em: <https://blog.tinkercad.com/3d-printing-materials-guide>. Acesso em: 15 maio 2020.
CAVALCANTI, Shirley Nóbrega. Desenvolvimento de Bionanocompósitos de Poli(Ácido lático) / Argila Organofílica. 2012. 77 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Ciências e Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, 2012.
DANIELS, Paul. Working with balsawood. [S. l.], 25 ago. 2020. Disponível em: http://pldaniels.com/flying/balsa/balsa-properties.html. Acesso em: 25 set. 2020.
GOMES, Andresa Aparecida Lemes et al. Análise da Resistência Elétrica e Mecânica em Filamentos de PLA e ABS . 2019. 6 f. TCC (Graduação) - Curso de Núcleo de Pesquisa Institucional, Centro Universitário de Itajubá - FEPI, Itajubá, 2019.
HELLMEISTER, Victor. Painel OSB de resíduo de madeira Balsa (Ochroma Pyramidale). 2017. 144 f. Tese (Doutorado) - Curso de Pós-graduação em Engenharia e Ciência de Materiais, Zootecnia e Engenharia dos Alimentos, Universidade de São Paulo, Pirassununga, 2017.
PRADO, Thiago Pereira. Tinkercad: Ferramenta online e gratuita de simulação de circuitos elétricos. Disponível em: <https://www.embarcados.com.br/tinkercad/>. Acesso em: 15 maio 2020.
VITTI, Mariana. Cura 3D: Aprenda os primeiros passos desse fatiador 3D!. 3DLAB. [s/d]. Disponível em: <https://3dlab.com.br/cura-3d-ultimaker/>. Acesso em: 16 de maio de 2020.
