Design de embalagens: criação de protótipo em polímero pelo método de conformação através da estampagem incremental

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1 DESIGN, EDUCAÇÃO E INOVAÇÃO Marcelo Pinto Pradella Design de embalagens: criação de protótipo em polímero pelo método de conformação através da estampagem incremental Porto Alegre 2015

2 Design de embalagens: criação de protótipo em polímero pelo método de conformação através da estampagem incremental. Dissertação submetida, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Design pelo Programa de Pós-Graduação Strictu Sensu Mestrado Acadêmico em Design do Centro Universitário Ritter dos Reis. Orientador: Profº Dr. Luis Fernando Folle Porto Alegre 2015

3 Design de embalagens: criação de protótipo em polímero pelo método de conformação através da estampagem incremental. Dissertação de Mestrado defendida e aprovada como requisito parcial a obtenção do título de Mestre em Design, pela banca examinadora constituída por: Profº Dr.Luis Fernando Folle (Orientador) - UNIRITTER Profº Dr. Vinícius Gadis Ribeiro - UNIRITTER Profº Drº Lirio Schaeffer - UFRGS Porto Alegre 2015

4 Dedico esse trabalho ao meu filho Felipe, minha amada Ju, meu Orientador e aos meus mestres, por acreditarem e me incentivarem.

5 AGRADECIMENTOS Agradeço ao Programa de Mestrado Uniritter pelo apoio e financiamento, sem o qual não poderia realizar esse sonho. Ao meu Orientador Profº Luis Fernando Folle, pelo apoio, incentivo, por acreditar em mim e pela amizade. Aos bolsistas Renan Ramalho, Daniel Trassel e Thais Zanatta. Ao Técnico de Engenharia Thales Gomes Pzygodznki. Aos meus amigos, colegas pela compreensão das minhas ausências nos períodos de maior dedicação aos estudos. A todas as pessoas que de uma forma ou de outra contribuíram para realização desde trabalho.

6 Resumo Na Indústria de transformação, existem diversas áreas de conhecimento voltadas ao estudo dos processos de fabricação que dão origem aos produtos destinados aos consumidores finais que podem ser processados a partir de chapas metálicas. Um dos processos de fabricação mais usado é a Conformação Mecânica que é o processo mecânico onde se obtém peças através da compressão de metais sólidos em moldes, utilizando a deformação plástica da matéria-prima para o preenchimento das cavidades dos moldes. No entanto, existe um processo que pode fazer isso sem a necessidade de moldes, a chamada Estampagem Incremental que consiste em desenhar o formato da peça em uma fresadora CNC através de um pequeno punção cilíndrico com ponta arredondada. O objetivo do presente trabalho é fazer um estudo sobre o processo de Estampagem Incremental de polímeros como sendo um novo tipo de tecnologia de Prototipagem Rápida que é baseada no processo de conformação de material, diferente dos processos já existentes de remoção ou adição. O material escolhido para o estudo foi o PCV, pois esse está presente em todos os estudos já feitos sobre o assunto. Testes práticos com PVC indicaram que alguns parâmetros como a temperatura de trabalho, lubrificação, rotação e trajetória do punção tem uma influência muito grande no processo e resultado final do protótipo. Uma variação na temperatura de trabalho do material de 20 C resultou em um aumento significativo nos resultados de deformação quando feito o ensaio de tração. Palavras chave: Prototipagem Rápida, Estampagem Incremental de polímeros, Design de Embalagem, PVC.

7 ABSTRACT In the manufacturing industry, there are several areas of knowledge focused on the study of manufacturing processes that give rise to products intended for end consumers that can be processed from sheet metal. One of the most commonly used manufacturing process is "Mechanical Conformation" which is the mechanical process which is obtained by compressing pieces of solid metal in molds using plastic deformation of the raw material to fill the mold cavities. However, there is a process that can do so without the need for a mold, the so-called incremental Printing "which consists in designing the shape of the workpiece on a CNC milling through a small cylindrical punch with a rounded tip. The aim of this work is a study on the process of Incremental Printing polymers as a new type of rapid prototyping technology that is based on the process of shaping material, different from existing removal or addition processes. The material chosen for the study was the PCV, because that is present in all the studies already done on the subject. Practice tests with PVC indicated that some parameters such as operating temperature, lubrication, rotation and punch trajectory has a very large influence on the process and outcome of the prototype. A variation in the material of 20 C operating temperature resulted in a significant increase in deformation results when done tensile test. Keywords: Rapid Prototyping, Incremental Printing of Polymers, Packaging Design, PVC.

8 LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1 Etapas e departamentos responsáveis pelo fluxo da 10 embalagem. Figura 2 Embalagem primária (1), secundária (2) e terciária (3). 13 Figura 3 Tipos de papel e suas propriedades 17 Figura 4 Representação das principais etapas do processo de 24 manufatura por camadas Figura 5 Equipamento e o processo de SLA 25 Figura 6 Equipamento e o processo de SLS 26 Figura 7 Equipamento e o processo de FDM 27 Figura 8 Equipamento e o processo de 3D PRINT - MJT 28 Figura 9 Equipamento e o processo de 3D PRINT - POLYJET 29 Figura 10 Equipamento e o processo de 3D PRINT - LENS 30 Figura 11a Bloco bruto de PU alta densidade 32 Figura 11b Modelo acabado (Usinado) 32 Figura 12 Processo convencional de Estampagem em chapa metálica 34 Figura 13a Estampagem Incremental com um ponto simples 34 Figura 13b Estampagem Incremental com ponto duplo 34 Figura 13c Processo convencional de estampagem 34 Figura 14 Tipos de falhas na Estampagem Incremental 36 Figura 15 Exemplos e embalagens que podem ser feitas em 37 Estampagem Incremental de polímeros Figura 16 2 Metades da embalagem confeccionada em Estampagem 38 Incremental de polímeros Figura 17ª Figura 17c Formato Modelo a ser testado com Estampagem Incremental em polímeros 41 Figura 17c Ângulos escolhidos para o teste 41 Figura 18 Fresadora Roland 650 D 42 Figura 19 Ferramentas adaptadas pelo autor 43 Figura 20 Suporte de fixação da chapa de PVC para Estampagem 44 Incremental Figura 21 Lâmpada usada para aquecimento 45 Figura 22 Termômetro laser 45 Figura 23 Dimensões da amostra de ensaio de tração do tipo I 46 Figura 24 Geometria do corpo de prova para ensaio de tração 47 Figura 25 Máquina de ensaio EMIC 47 Figura 26 Fixação de uma caneta ao Splindle da CNC 50 Figura 27 Chapa de PVC fixada à base de MDF para gravação na 50 CNC Figura 28 Etapas da gravação dos círculos de medição 51 Figura 29 Momento da gravação dos círculos 51 Figura 30a Corpos de prova sendo usinados para os ensaios de 35 tração Figura 30b Corpos de prova sendo usinados para os ensaios de 52 tração

9 Figura 31 Máquina de medição Óptica 52 Figura 32a Material (PVC) submetido ao Teste de Chama 54 Figura 32b Material (PVC) submetido ao Teste de Chama 54 Figura 33 Teste de densidade 54 Figura 34a Corpo de prova antes do ensaio de tração 57 Figura 34b Corpo de prova após o ensaio de tração à Figura 34c Corpo de prova após o ensaio de tração à Figura 35 Corpos de prova para ensaio de tração 59 Figura 36 Corpos de prova nº 5 - ensaiado às Figura 37 Corpos de prova nº 6 - ensaiado às Figura 38 Testes preliminares para obtenção de parâmetros de 61 análise Figura 39 Abaulamento da chapa de PVC sem suporte 62 Figura 40 Suporte de base usinado em Isoflam (PU de baixa 62 densidade) Figura 41 Suporte de base usinado em PU de alta densidade 63 Figura 42 Imagem Print da trajetória de Estampagem Incremental - 64 real Imagem Print da trajetória de Estampagem Incremental - 64 ampliado Figura 43 Chapa de PVC após a EI planificada para medição 66 Figura 44a Peça conformada com identificação dos pontos a serem 66 Figura 44b medidos Figura 45 Tabela 1 Medição do deslocamento máximo 67 Figura 46 Gráfico de medição da deformação para punção de 6 mm de diâmetro linha horizontal Figura 47 Gráfico de medição da deformação para punção de 6 mm 69 de diâmetro linha vertical Figura 48 Círculo com as posições de cada medida 70 Figura 49 Tabela 2 Tabela de medição da Deformação Verdadeira 71 Figura 50 Gráfico de medição da deformação Verdadeira linha 71 horizontal Figura 51 Gráfico de medição da deformação verdadeira linha vertical

10 LISTA DE SIGLAS 3D PRINT Impressão 3D ABS Acrilonitrila-butadieno-estireno CA Acetato de celulosa CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing CNC Controle Numérico por Computador EI Estampagem Incremental FDM Fused Deposition Modeling Kgf quilograma força LENS - Laser Engineered Net Shaping MJT Muit Jet Modeling NC Controle numérico PVC Policloreto de Vinilo RP Rapid Prototyping SLA Stereolythography SLS Seletetive Laser Sintering SPIF Single Point Incremental Forming SRP Substractive Rapid Prototyping STL - Standard Template Library TPIF Two point Incremental Forming UV Ultra Violeta W Watt

11 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Escolha do Tema Problema de Pesquisa 10 2 OBJETIVOS DA PESQUISA Objetivo Geral Objetivos Específicos Hipótese 12 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Tipos de Embalagens Materiais de Embalagens Protótipos e Modelos de Prototipagem 21 4 METODOLOGIA DE PESQUISA Estrutura do Trabalho Parâmetros da EI Teste de Chama Teste de Densidade 54 5 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Ensaio de Tração Medição dos círculos dos corpos de prova Testes preliminares Suportes de apoio inferiores Testes finais Deformações medidas 65 6 CONIDERAÇÕES FINAIS 73 7 PESQUISAS FUTURAS 74 REFERÊNCIAS 75