ESTUDO E DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO DE GINÁSTICA BICICLETA ESTÁTICA

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1 Instituto Politécnico de Coimbra Instituto Superior de Engenharia ESTUDO E DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO DE GINÁSTICA BICICLETA ESTÁTICA José Vieira das Neves Trabalho de Projecto para obtenção do Grau de Mestre em Equipamentos e Sistemas Mecânicos COIMBRA 2010

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3 Instituto Politécnico de Coimbra Instituto Superior de Engenharia ESTUDO E DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO DE GINÁSTICA BICICLETA ESTÁTICA Orientador: João Maia Carrapichano Professor Adjunto, ISEC José Vieira das Neves Trabalho de Projecto para obtenção do Grau de Mestre em Equipamentos e Sistemas Mecânicos COIMBRA 2010

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5 Dedicatória Dedico esta dissertação às minhas queridas filhotas (Sara e Ana Rita) e que de algum modo, seja um incentivo ao seu desempenho no futuro. i

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7 Agradecimentos Inúmeras pessoas e organizações colaboraram com satisfação na execução desta dissertação. Somente por lapso é que alguém ficou esquecido, porque na verdade reconheço e expresso imensa gratidão a todos os que me apoiaram e incentivaram em todos os momentos. Estou especialmente agradecido ao meu orientador, Prof. Dr. João Carrapichano, pelo seu esforço ordenativo, discussão de ideias e inteligentes conselhos. Ao Prof. Dr. Urbano Ramos, pela sua colaboração, correcção e disponibilidade em juntar as aulas práticas dos seus alunos em prol desta dissertação, no estudo dos componentes acessórios da bicicleta para além da estrutura principal ou quadro. Ao Eng.º Paulo Pires e restantes colaboradores da ABIMOTA - Associação Nacional das Indústrias de Duas Rodas, Ferragens, Mobiliário e Afins que me receberam e orientaram ao nível de normas associadas à especialidade. Ao Eng.º António Sequeira da Chemetall S.A. - Sucursal em Portugal, pelo seu incessante apoio e saber técnico. Foi e é, um verdadeiro amigo. Ao Eng.º José Carlos, Dr. Jorge Vieira, Nuno Amaral e restantes colaboradores do grupo Cin e em particular a sua unidade fabril Megadur que tiveram a amabilidade em me receber e colaborarem tecnicamente. Ao meu amigo Eng.º João Figueiredo da SolIntellysys L.da, pela sua orientação técnica específica, ao nível dos tratamentos de superfície. Ao meu amigo Eng.º Nuno Mineiro e ao seu colaborador João Bastos da Motoman Robotics Ibérica - Sucursal em Portugal, que mesmo com pouca disponibilidade nas suas vidas, forneceram informações muito úteis. Ao Dr. Paulo Sena, pelos seus conhecimentos e por sua generosidade, enviando-me dados e fontes de informação. Aos ginásios (Play Health Club, Corpus - Ginásio de Manutenção Física, Club Clínica das Conchas, Varequipeque, Ulisses, LH - Ginásio, Lagos em Forma - Gestão Desportiva EEM e Corpus Domus) que acederam amavelmente e sem hesitação a responder a um meu questionário feito online na vertente técnico-científica da presente dissertação. iii

8 Aos ginásios (Força em Movimento - Fit&Fun, Gym City e Multibody) que me receberam, responderam a um inquérito presencial, partilharam os seus conhecimentos e experiências e permitiram a recolha de algumas fotografias. Às unidades comerciais e seus funcionários, situadas no Porto (Sport Zone do Mar Shopping - Ikea) e em Aveiro (Sport Zone - Continente e Decathlon), pelas suas informações e disponibilidade. À Mafirol - Industria de Equipamentos, S.A. que me emprega, disponibilizou tempo e espaço para reuniões com o meu orientador. Ao meu superior na Mafirol, Eng.º Jorge Albergaria que sempre se prontificou a ajudar e interceder como um verdadeiro técnico-comercial. Ele foi fundamental e um bom amigo. A todos os meus colegas de trabalho, pelas várias ajudas, recolhas de informação e acima de tudo, a paciência em me suportarem nos momentos mais difíceis. O seu apoio e a boa compreensão geral da Mafirol permitiram que eu fosse realizando cada etapa deste Mestrado de forma atempada e capaz. À minha esposa, Maria Helena; às minhas filhas, Sara e Ana Rita; à minha mãe, Maria de Lurdes; e restantes familiares, pela tolerância, carinho e compreensão nos muitos momentos, onde pequei pela ausência. Bem hajam. iv

9 Resumo No desporto profissional e amador, a bicicleta estática ou bicicleta de manutenção, de Indoor Cycle ou de Spinning, é um equipamento cada vez mais sofisticado, constituído por um considerável número de componentes mecânicos, quer estáticos quer dinâmicos, em interacção, com uma produção industrial que encerra vários domínios da engenharia, nomeadamente a nível de projecto, dos materiais e dos meios e processos de fabrico. A bicicleta estática, como equipamento individualizado de desporto, tem assumido uma importância crescente a nível mundial, seja para operadores do desporto de alta competição ou amador, para o turismo, para a ginástica de reabilitação física e/ou mental, nos locais de trabalho ou na directa utilização doméstica. Surgem benefícios no seu estudo, desenvolvimento e divulgação, logo para as pessoas que directamente as utilizam, primeiramente em ergonomia versus custo e depois nos benefícios humanos do desporto, lazer e saúde, e para as empresas que as fabricam e/ou comercializam, por supremacia competitiva de mercado sobre as suas mais directas concorrentes. É apresentada uma integração dos registos bibliográficos preponderantes no tema, nomeadamente na importância social e económica da bicicleta estática e no estado actual do seu desenvolvimento e modo de exploração. O intercâmbio feito com profissionais especializados e responsáveis pela implementação e utilização destes equipamentos, permitiu definir as formas e pormenores a dimensionar. É optimizada uma estrutura, quer em dimensões quer em materiais e revestimentos. O alumínio para fundição a par de alguns termolaminados mostraram-se como boas alternativas às clássicas construções soldadas de aço ao carbono, globalmente mais dispendiosas e menos duráveis. Ensaios de nevoeiro salino permitiram tirar ilações sob efeitos nocivos em utilização, como seja o da corrosão pela transpiração humana, sendo propostos revestimentos para restringir essa degradação. Palavras-chave: Bicicleta Estática, Indoor Cycle, Spinning, Mapas de Ashby, CosmosWorks, Detalhamento do Projecto. v

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11 Abstract In both professional and amateur sports, the stationary exercise bike for Indoor Cycle or for Spinning is an increasingly sophisticated equipment, made up of a considerable number of mechanical components, both static and dynamic, in interaction with an industrial production that incorporates a myriad of domains of engineering namely at the level of the project, of the materials and of the means and processes of manufacturing. The stationary exercise bike, viewed as an individualized sports equipment, has seen its importance grow worldwide, be it for people in high competition sports or amateur sports, for tourism, for physical and/or mental rehabilitation exercise, in the workplace or in the household. As a result there are many advantages in undergoing its study, development and dissemination, for people who directly use them, firstly as regards ergonomics versus cost and then in the human advantages of sports, leisure and health as well as for the manufacturers that produce and/or commercialize them, for market competitive supremacy over its most direct competitors. An integration of the prevailing bibliographic registers within the theme is presented, namely regarding the social and economic importance of the stationary exercise bike and on the actual state of its development and manner of exploitation. The exchange undergone with specialized experts and with those responsible for the implementation and use of these equipments, enabled to define the forms and the details that had to be dimensioned. A structure is optimized, both in dimension as well as in materials and coatings. The aluminum for foundry along with some thermo laminates proved to be good alternatives to the classic welded constructions of steel to carbon, globally more expensive and less durable. Salt mist testing under prejudicial effects in use allowed to reach certain conclusions, such as corrosion due to human transpiration, as such, coatings are proposed to restrict that type of degradation. Keywords: Stationary Exercise Bike, Indoor Cycle, Spinning, Ashby Maps, CosmosWorks, Detailing of the Project. vii

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13 Índice Lista de figuras... xiii Lista de gráficos... xvii Lista de tabelas... xix Nomenclatura... xxi 1 Introdução Estado da arte A importância social e económica da bicicleta estática A bicicleta estática e a inovação A selecção de materiais no projecto mecânico A análise estática e dinâmica no projecto mecânico As ferramentas do projecto detalhado O projecto e a NP EN ISO 9001: Produção convencional e as novas tecnologias Ferramentas de selecção de materiais e de cálculo num projecto mecânico Introdução Materiais de engenharia Critérios de selecção de materiais Recursos de selecção de materiais Índice de eficiência Índice de eficiência - dedução de um caso A aplicabilidade dos mapas de Ashby As simulações computacionais ix

14 3.5.1 O método dos elementos finitos A aplicabilidade do CosmosWorks As ferramentas SolidWorks - CosmosWorks Investigação e estudo sobre os melhoramentos na bicicleta estática Introdução Inquérito Objectivos, população, método e questões Análise aos resultados obtidos Pesquisa bibliográfica e normativa A corrosão estrutural Abordagem dinâmica - cinemática e cinética Requisitos normativos Entrevistas e observações sistemáticas Visita a empresa Visita a ginásios Visita a lojas desportivas Conclusões e bases preliminares à concepção Concepção da bicicleta estática Introdução Execução dos modelos geométricos Selecção de materiais Introdução Características principais - requisitos - para os componentes Identificação dos materiais candidatos Os processos de fabrico x

15 5.3.5 Os custos dos materiais Os factores de importância Comparação entre os materiais Matriz de decisão - escolha do material Movimentos, restrições e cargas Estudo das tensões, deslocamentos e factores de segurança Recomendações de detalhamento do projecto Produção e montagem Mantenabilidade Confiabilidade Ergonomia, estética e meio ambiente Conclusões e trabalho futuro O estudo da arte O desenvolvimento prático do projecto Directrizes para trabalho futuro no tema Referências Anexos Desenho técnico do conjunto Estudo por elementos finitos de uma bicicleta de Spinning xi

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17 Lista de figuras Figura 1 - Avaliação cardiorrespiratória (consumo de oxigénio - VO2)... 5 Figura 2 - Elementos principais de uma bicicleta estática para prática do Spinning Figura 3 - Bicicleta estática para prática do Water Spinning Figura 4 - Problema central da SM no projecto mecânico (Ashby, 1999) Figura 5 - Evolução da engenharia dos materiais com o tempo (Ashby, 1999) Figura 6 - Fluxograma representativo da interacção Projecto/Materiais (Ashby, 1999) Figura 7 - O funil de desenvolvimento de um produto (Tidd et al., 2003) Figura 8 - Processo de concepção de uma bicicleta estática (Pires, 2004) Figura 9 - Sistema de Gestão da Qualidade (Andrade, 2009) Figura 10 - Classes dos materiais de engenharia (Ashby, 1999) Figura 11 - Protótipo do NH-90 à base de compósitos Figura 12 - Procedimento de dedução do índice de eficiência, segundo Ashby Figura 13 - Veio cilíndrico sólido sujeito a um momento de torção Figura 14 - Mapa de Ashby - Mapa de materiais por relação do módulo de elasticidade com a densidade (CES EduPack, 2008) Figura 15 - Mapa de Ashby - Mapa de materiais por relação da resistência com a densidade (Ashby, 1992) Figura 16 - Mapa de Ashby - Materiais candidatos para um IE igual a 10 (MPa) 2/3 m 3 /Mg (Ashby, 1992) Figura 17 - Mapa de Ashby - Materiais candidatos para um IE igual a 10 (MPa) 2/3 m 3 /Mg e resistência igual ou superior a 350 MPa (Ashby, 1992) Figura 18 - Inputs no processo de fabrico associados a um custo (CES EduPack, 2007) Figura 19 - Exemplo de um elemento do MEF (CosmosWorks TM, 2003) Figura 20 - Exemplo de estudo (deslocamento) com o CosmosWorks (Neves e Fernandes, 2009) xiii

18 Figura 21 - Um modelo geométrico construído no SolidWorks Figura 22 - Aplicação de constrangimentos ao um modelo geométrico Figura 23 - Aplicação de carregamentos Figura 24 - Malhagem de um modelo segundo as preferências Figura 25 - Visualização dos resultados em termos de tensões de Von Mises Figura 26 - Visualização dos resultados em termos de deslocamentos Figura 27 - Visualização dos resultados para o factor de segurança Figura 28 - Fotografia de pormenor de uma bicicleta estática com corrosão localizada por origem no suor (amavelmente cedida pelo ginásio Gym City, L.da, 2009) Figura 29 - Característica do movimento do membro inferior ao pedalar, com movimento angular (I) e movimento linear (II), (UFSM et al., 2008) Figura 30 - Ciclo esquematizado de uma pedalada Figura 31 - Forças aplicadas no pedal referentes ao plano sagital Figura 32 - Representação esquemática da variação da força resultante durante uma pedalada (Grappe, 2005) Figura 33 - Fotografias de corrosão nos equipamentos de ginástica provocada pelo suor Figura 34 - Relógio (monitor) para leitura da frequência cardíaca Figura 35 - Esboço final da bicicleta estática a desenvolver Figura 36 - As melhores posturas e dimensões das bicicletas tradicionais e aerodinâmicas (Dreyfuss, 1966) Figura 37 - Modelo final da bicicleta estática por projecto executado no SolidWorks tendo por base a construção soldada Figura 38 - Modelo final da bicicleta estática por projecto executado no SolidWorks tendo por base a construção injectada ou conformada Figura 39 - Alguns dos componentes da bicicleta estática a desenvolver modelados através do SolidWorks Figura 40 - Destaque de alguns aspectos inovadores da bicicleta estática: I - suporte de garrafas de água e II - sistema de carga e travagem de emergência Figura 41 - Dimensões da estrutura principal da bicicleta estática a desenvolver xiv

19 Figura 42 - Análise cinemática da estrutura da bicicleta estática com recurso ao CosmosMotion Figura 43 - Aplicação da liga de alumínio T6, utilizando a biblioteca de materiais do CosmosWorks Figura 44 - Aplicação e definição do Celeron no CosmosWorks Figura 45 - Apresentação das restrições à estrutura da bicicleta estática no CosmosWorks. 103 Figura 46 - Representação simplificada das cargas máximas aplicadas à estrutura da bicicleta estática no CosmosWorks Figura 47 - Dimensões de referência da transmissão da bicicleta estática Figura 48 - Distribuição das forças na estrutura da bicicleta estática no CosmosWorks Figura 49 - Discretização no CosmosWorks do modelo da estrutura da bicicleta estática Figura 50 - Distribuição de tensões no CosmosWorks para os materiais eleitos para a estrutura da bicicleta estática: a) liga de alumínio T6 e b) Celeron Figura 51 - Pormenor gráfico do CosmosWorks do valor das tensões na zona mais solicitada da estrutura da bicicleta estática para o Celeron Figura 52 - Deslocamentos nodais no CosmosWorks para os materiais eleitos para a estrutura da bicicleta estática: a) liga de alumínio T6 e b) Celeron Figura 53 - Factor de segurança no CosmosWorks para os materiais eleitos para a estrutura da bicicleta estática: a) liga de alumínio T6 e b) Celeron Figura 54 - Zona especificada de FOS (0,84 < FOS < 1) no CosmosWorks para o Celeron como material da estrutura da bicicleta estática Figura 55 - Máquina de cortar tubo a laser (TRUMPF) Figura 56 - Furação e conformação térmica (THERMDRILL) Figura 57 - Soldadura robotizada (YASKAWA - Motoman ) Figura 58 - Pintura robotizada (YASKAWA - Motoman ) Figura 59 - Automatização aplicada à fundição em moldes de areia Figura 60 - Equipamento para injecção de polímeros (ARBURG) Figura 61 - Esquema de suporte de apoio em linha de montagem da bicicleta estática Figura 62 - Aplicação da robótica à operação de montagem (YASKAWA - Motoman ) xv

20 Figura 63 - Amostras após os ensaios de nevoeiro salino neutro por 500 horas Figura 64 - Software de apoio à optimização ergonómica numa bicicleta, relacionando a altura do selim com o metabolismo (AnyBody, 2007) Figura 65 - Desenho técnico do projecto em estudo xvi

21 Lista de gráficos Gráfico 1 - Certificação no sector do ciclismo em 1998 (Silva e Pereira, 2000) Gráfico 2 - Equipamento produtivo das EC em 1998 (Silva e Pereira, 2000) Gráfico 3 - Consumo de polímeros em diversos países e regiões por habitante (Padilha, 2000) Gráfico 4 - Influência das simulações computacionais no desenvolvimento de produtos (SolidWorks Corporation, n.d.) Gráfico 5 - Quantidade de bicicletas estáticas para uma amostra de ginásios inquiridos Gráfico 6 - Componentes de bicicletas estáticas apontados pelos ginásios inquiridos como requerendo maior manutenção Gráfico 7 - Avarias de maior gravidade em bicicletas estáticas denunciadas pelos ginásios inquiridos Gráfico 8 - Mapa de materiais por relação da resistência com a densidade (Ashby, 1992) Gráfico 9 - Mapa de processos por relação da dureza com a temperatura de fusão (Ashby, 1992) Gráfico 10 - Mapa de processos por relação da área da superfície com a espessura mínima (Ashby, 1992) Gráfico 11 - Mapa de processos por relação da complexidade com o tamanho ou massa (Ashby, 1992) Gráfico 12 - Mapa de processos por relação da amplitude da tolerância com a rugosidade (Ashby, 1992) xvii

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23 Lista de tabelas Tabela 1 - Densidade, resistência e índice de eficiência para cinco materiais de engenharia (Callister, 2007) Tabela 2 - Considerações do custo de cinco materiais de engenharia candidatos Tabela 3 - Descrição das partes com maior dano em bicicletas estáticas apontadas pelos ginásios inquiridos Tabela 4 - Respostas obtidas pelos ginásios entrevistados Tabela 5 - Definição do IE para o caso em estudo (Ashby, 1992) Tabela 6 - Algumas propriedades dos materiais candidatos Tabela 7 - Materiais e processos candidatos por relação da dureza com a temperatura de fusão Tabela 8 - Materiais candidatos e custo em matéria-prima Tabela 9 - Quadro de factores de importância Tabela 10 - Quadro de comparação entre os materiais candidatos por propriedades a maximizar e a minimizar Tabela 11 - Matriz de decisão para os materiais candidatos Tabela 12 - Pré-tratamentos e pinturas das amostras para os ensaios de nevoeiro salino Tabela 13 - Avaliação das amostras após os ensaios de nevoeiro salino segundo a norma NP EN ISO Tabela 14 - Critério de avaliação da gravidade por efeito de potencial falha perante o cliente Tabela 15 - Falhas e causas potenciais do projecto em estudo Tabela 16 - Critério de avaliação da frequência com que ocorrem as causas Tabela 17 - Critério de detecção da falha antes de se iniciar o fabrico do produto Tabela 18 - Exemplo prático, AMFEC do projecto xix

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25 Nomenclatura Abreviaturas 3D - Modelo tridimensional AA - Aluminum Association (Associação Norte Americana do Alumínio) AISI - American Iron and Steel Institute (Instituto Americano do Ferro e do Aço) ANSI - American National Standards Institute (Instituto Nacional Americano de Normalização) CAD - Computer Aided Design (Desenho Assistido por Computador) CAE - Computer Aided Engineering (Engenharia Assistida por Computador) CAM - Computer Aided Manufacturing (Fabrico Assistido por Computador) CAP - Computer Aided Planning (Planeamento Assistido por Computador) CCC - Cúbica de Corpo Centrado CFC - Cúbica de Faces Centradas CI - Ciclismo Indoor (ciclismo em recinto fechado) CIM - Computer Integrated Manufacturing (Fabrico Integrado por Computador) CMM - Computer Measure Machines (Máquinas de Medidas por Coordenadas) CNC - Computer Numeric Control (Controlo Numérico por Computador) DFE - Design For Enviroment (Projecto para o meio ambiente) DFMA - Design For Manufacturing and Assembly (Projecto para a produção e montagem) DNC - Direct Numeric Control (Controlo Numérico Directo-Descentralizado) EC - Empresas ciclistas EN - European Norm (Norma Europeia) FMEA ou AMFEC - Failure Mode and Effect Analysis (Projecto e Avaliação da Confiabilidade ou Análise dos Modos de Falha, seus Efeitos e Criticidade) FMS - Flexible Manufacturing System (Sistema de Fabricação Flexível) FOS ou N - Factor de Segurança HHMI - Howard Hughes Medical Institute (organização de pesquisa médica, sem fins xxi

26 lucrativos) I&D - Investigação e Desenvolvimento IDI - Investigação, Desenvolvimento e Inovação IE ou I - Índice de Eficiência ( I s quando relativo à rigidez) IEP - Índice de Eficiência Propulsivo IHRSA - International Health, Racquet and Sportsclub Association (maior organização de clubes de saúde mundial) IPA - Instituto Português de Acreditação IPQ - Instituto Português da Qualidade ISO - International Organization for Standardization (Organização Internacional de Normalização) ME - Materiais de Engenharia MEF - Método dos Elementos Finitos MFLE - Mecânica da Fractura Linear Elástica NC - Numerical Control (Controlo Numérico) NP - Norma Portuguesa RPM ou n - Rotações Por Minuto ou Variante do Spinning (RPM) SI - Sistema Internacional SM - Selecção de materiais SPD - Encaixe automático do calçado (sistema patenteado pela Shimano) SPQ - Sistema Português da Qualidade VO2 - Consumo de oxigénio WS - Water Spinning (variante inovadora do CI) xxii

27 Letras e símbolos l - Dimensão média geométrica [mm] n - Número de peças produzidas por minuto C - Carga sobre o calço de travagem [N] c - Custo relativo (razão entre o custo por unidade de massa do material candidato e o custo por unidade de massa do aço macio) [ / ] C - Complexidade [Bits] C c - Custo da instalação necessária ao fabrico [ ] C f - Custo de fabrico [ ] C L - Custo da mão-de-obra por minuto [ /min] C m - Custo dos materiais [ ] D - Diâmetro da pedaleira [mm] ou Detectabilidade d - Diâmetro do pinhão [mm] F - Requisitos Funcionais ou Frequência F a - Força de atrito [N] F e - Força efectiva [N] F i - Força inefectiva [N] F n - Força normal ou vertical [N] F t - Força tangencial ou horizontal [N] G - Módulo de corte [GPa] ou Geometria ou Gravidade I p - Momento polar de inércia [m 4 ] K - Factor de intensidade de tensões [MPa m] K IC - Factor de intensidade de tensão crítico ou tenacidade à fractura [MPa m] K ICST - Limiar de propagação à corrosão sob tensão [MPa m] L - Comprimento [mm] m - Massa [kg] M - Propriedades dos materiais M p - Binário exercido pelo ginasta na pedaleira [Nm] M t - Momento de torção [Nm] xxiii

28 n - Número de itens P - Potência mecânica [W] ou produto GFD (Gravidade; Frequência; Detectabilidade) P - Função objectivo R - Raio [mm] Ra - Rugosidade média [µm] Rq - Rugosidade quadrática média [µm] W - Velocidade angular [rad/s] Caracteres gregos l - Precisão média geométrica [mm] η - Rendimento θ - Ângulo de torção [ º] μ - Coeficiente de atrito dinâmico ρ - Densidade [g/cm³] σ CST - Tensão limiar de corrosão sob tensão [MPa] σ fo - Tensão limite de fadiga [MPa] σ r - Tensão de ruptura ou máxima [MPa] σ vm - Tensão de Von Mises ou de aplicação [MPa] τ - Tensão de torção [MPa] τ f - Resistência à torção [MPa] xxiv

29 I CAPÍTULO 1 Introdução Numa época de acelerada mutação a vários níveis, a sociedade vive em grande entrega à sua vida quotidiana, tanto pessoal como profissional, diante duma crescente concorrência no trabalho, da constante ameaça à manutenção do mesmo emprego, a par de todas as dificuldades intrínsecas ao seio de uma família contemporânea. Não só agentes desportivos ou turísticos, como o próprio trabalhador e/ou empregador tomam consciência da necessidade de programas paralelos de recuperação, treino, lazer ou repouso. Surge, nomeadamente, desenvolvimento em equipamentos e planos específicos de ginástica, que, para além da sua aplicação na competição desportiva profissional ou semi-profissional, ou mesmo no auxílio ao tratamento humano por reabilitação motora e/ou psíquica ou como equipamento auxiliar ao diagnóstico ou prognóstico clínico, visam, sobretudo, o referido apoio ao quotidiano do cidadão comum, directamente nos locais de trabalho, em ginásios ou mesmo por utilização doméstica, tornando-se mais ampla a qualidade de vida e a desejável saúde. O presente trabalho aborda um desses equipamentos de desporto, em particular a bicicleta estática. São tratados o estudo e dimensionamento da clássica bicicleta estática, também dita de bicicleta de manutenção, de Indoor Cycle ou de Spinning, em termos da sua aplicação e funcionalidade, sendo feito um prévio levantamento do estado da arte no respeitante ao sucessivo desenvolvimento e paralela bibliografia desta mesma especialidade. Já no respeitante ao campo empresarial, o desenvolvimento e a produção industrial de produtos, por múltiplas vezes tem sido efectuado sem se verificar e avaliar, antes de se realizar o protótipo ou uma pré-série produtiva, entre vários aspectos, a montagem, os processos de fabrico, a necessidade de manutenção e factores humanos, obrigando a sucessivas correcções do projecto original, aumentando os custos totais (Dufour, 1996). É necessário às empresas uma adaptação constante às novas tecnologias e uma clara e rápida percepção da evolução do contexto envolvente, a par do conhecimento do seu posicionamento face à concorrência. Em tempos de elevada exigência, de rápida inovação e de radicais mudanças estruturais das empresas ou organizações, os seus gestores e restantes colaboradores confrontam-se com a necessidade de aumentar a investigação e desenvolvimento de novos produtos com ciclo de vida tendente a decrescer (Amaral, 1993). Desapareceu o conceito de negócio estável e em alternativa o que se coloca à maior parte das empresas é a chamada globalização, onde um produto poderá ser projectado num 1

30 I CAPÍTULO determinado país, produzido noutro e comercializado em vários. As empresas, mais propriamente, os seus produtos, só sobrevivem enquanto mantêm alguma vantagem competitiva sobre a concorrência. Assim, torna-se premente optimizar e/ou inovar os projectos. O estado actual e as necessidades do mercado são as bases da concepção, que jamais se poderá dar por concluída, porque a todo o momento se deverá promover a melhoria contínua. Esta dissertação pretende, assim, tratar o desenvolvimento da bicicleta estática em termos da sua ampla aplicação mundial como equipamento de uma indústria relevante e também muito concorrencial, uma variante da larga amplitude do sector de produção, comercialização e exploração de equipamentos mecânicos desportivos. Desenvolveu-se um estudo em consonância com ferramentas apropriadas à selecção de materiais e processos de fabrico, os Mapas de Ashby, à simulação numérica, com o SolidWorks aliado ao seu pacote CosmosWorks, e ao projecto detalhado, de forma a alcançar a melhoria do produto em perfeita harmonia com as necessidades do mercado, processos de fabrico e novas tecnologias. Dentro das utilizações da bicicleta estática, dar-se-á maior relevo à prática do ciclismo em recintos fechados, pela sua elevada expansão e evolução nos últimos tempos. A presente dissertação encontra-se organizada da seguinte forma: Primeiro capítulo (Introdução) - É aqui apresentado o tema, nas razões socioeconómicas que levaram ao seu estudo, no enquadramento teórico-prático em que se baseia o trabalho, reforçando-se, por esse enquadramento, as bases e a pertinência deste estudo e os seus objectivos. É também apresentado o modo da sua estruturação. Segundo capítulo (Estado da arte) - Onde é feita uma pesquisa bibliográfica no actual estado da arte, bem como nos indicadores e formas de desenvolvimento, e nos métodos e meios de projecto nessa mesma área. Encontra-se dividido em sete subcapítulos, sendo o primeiro referente à importância social e económica da bicicleta estática. O segundo caracteriza a bicicleta estática e a inovação neste tipo de produto. O terceiro subcapítulo refere-se à selecção de materiais no projecto mecânico. O quarto trata a análise estática e dinâmica no projecto mecânico, como ferramentas importantes ao engenheiro. O quinto trata as ferramentas do projecto detalhado. 2

31 I CAPÍTULO O sexto subcapítulo foca o projecto e a NP 1 EN 2 ISO :2008. Por fim, é dada importância à produção convencional e às novas tecnologias possíveis de serem utilizadas na execução de equipamentos mecânicos. Terceiro capítulo (Ferramentas de selecção de materiais num projecto mecânico) - São apresentadas, sob o ponto de vista de pesquisa bibliográfica e com algum detalhe, as ferramentas ou meios para a execução do presente projecto, pelo facto de se constituírem como o principal equipamento experimental de apoio ao mesmo nas suas fases de concepção e de realização prática ou material. Apresentase dividido em cinco subcapítulos, em que no primeiro se faz uma introdução ao assunto. O segundo apresenta uma incursão sobre os vários materiais de engenharia. O terceiro subcapítulo trata os critérios de selecção dos materiais num projecto. O quarto apresenta os recursos de selecção; especifica-se o índice de eficiência, deduz um caso e é verificada a aplicabilidade dos mapas de Ashby. No final, o estudo focaliza-se sobre as simulações computacionais, dando-se a devida importância ao método dos elementos finitos, à aplicabilidade do CosmosWorks 4 e à do conjunto CosmosWorks - SolidWorks 5 como ferramentas combinadas. Quarto capítulo (Investigação e estudo sobre os melhoramentos na bicicleta estática) - É realizado um misto de pesquisa bibliográfica e de prévia realização experimental com trabalho de campo e num complemento ou sentido prático a essa pesquisa bibliográfica, para, no global, se poder vir a traçar objectivos de concepção e de desenvolvimento no tema e no equipamento em projecto. É constituído por quatro subcapítulos, onde no primeiro se apresenta o respectivo trabalho a ser desenvolvido. O segundo reporta a realização de um inquérito, no tema e feito online, a ginásios, especificando os objectivos, a população, o método 1 Norma Portuguesa. 2 European Norm (Norma Europeia). 3 International Organization for Standardization (Organização Internacional de Normalização). 4 Ferramenta do SolidWorks para simulações, análises de resistência e testes de esforço dos produtos modelados. 5 Software de CAD (computer-aided design), desenvolvida pela SolidWorks Corporation, adquirida em 1997 pela Dassault Systemes S.A. 3

32 I CAPÍTULO e questões, bem como uma análise aos respectivos resultados. No terceiro dá-se ênfase aos resultados de uma pesquisa bibliográfica no tema e de algumas normas específicas, dando-se relevo à corrosão estrutural, à cinemática e cinética e aos requisitos normativos. Complementa-se, já no quarto subcapítulo, com entrevistas e observações sistemáticas, através de visitas, nomeadamente a uma empresa, a ginásios e a lojas desportivas. Conclui-se com uma apresentação das bases preliminares à concepção. Quinto capítulo (Concepção da bicicleta estática) - Constitui-se como a realização prática ou material deste projecto. Sendo formado por seis subcapítulos, no primeiro faz-se uma introdução ao trabalho de concepção da bicicleta estática. O segundo subcapítulo apresenta a execução dos modelos geométricos no SolidWorks. O terceiro debruça-se sobre a selecção de materiais tendo por base os mapas de Ashby, culminando com a execução de uma matriz de decisão e consequente escolha de materiais. O quarto subcapítulo trata um estudo dinâmico, especifica as restrições e cargas. O quinto subcapítulo verifica a capacidade dos materiais eleitos em termos de resistência mecânica, através de uma análise estática com o CosmosWorks, calculando-se as tensões, deslocamentos e factores de segurança. Por fim, complementa-se o trabalho de concepção com a recomendação de algumas ferramentas de detalhamento do projecto, relacionadas com a produção e montagem (fazem-se algumas propostas de fabrico e montagem), mantenabilidade (com a realização experimental de ensaios de nevoeiro salino e a proposta de revestimentos para protecção à corrosão pelo suor), confiabilidade (com a realização no projecto de um exemplo prático de análise dos modos de falha, seus efeitos e criticidade), ergonomia, estética e meio ambiente (por apresentação de aplicações ou ferramentas informáticas dedicadas à ergonomia, e com discussão dos pormenores de estética e do ambiente afectos ao equipamento em projecto). Ao finalizar, no sétimo capítulo (Conclusões e trabalho futuro) - Apresentam-se as conclusões finais e mais relevantes, e propõem-se futuros desenvolvimentos. 4

33 II CAPÍTULO 2 Estado da arte 2.1 A importância social e económica da bicicleta estática De há muito tempo que o homem procura meios para melhorar o transporte na terra, e de várias invenções que tiveram como intento facilitar o deslocamento, a bicicleta ganhou algumas vantagens relativamente a outros meios de transporte e, como estes, evolui e adaptou-se a novas realidades. No processo evolutivo da bicicleta, um dos maiores destaques foi a possibilidade da utilização na avaliação orgânica e funcional, como também para treino do ciclismo feito em recinto fechado. A avaliação orgânica traduz-se num diagnóstico e prognóstico bem definidos da insuficiência coronária, útil na abordagem aos pacientes, permitindo uma determinação precisa da capacidade funcional e avaliação objectiva da resposta terapêutica. Enquanto a avaliação funcional é medida através do consumo de oxigénio (VO2) e reflecte a quantidade de oxigénio que é retirado do ar enquanto se realiza o exercício (Figura 1). Deve ser reservada para casos específicos, como na diferenciação da dispneia induzida pelo esforço de causa cardiogénica ou pulmonar e na avaliação objectiva da capacidade de esforço e da resposta terapêutica em possíveis candidatos a transplante cardíaco (Eduardo, 2009). Figura 1 - Avaliação cardiorrespiratória (consumo de oxigénio - VO2) 5

34 II CAPÍTULO Assim, surgiu a bicicleta ergométrica, também conhecida como, bicicleta estática, e, consequentemente o Ciclismo Indoor (CI) ou Spinning 6, realizado geralmente em ginásios (Silva e Oliveira, 2002). O CI surgiu em 1987 por intermédio do Sul-africano Johnatan Golberg, conhecido por Johnny G. que de muito cedo se fascinou pela bicicleta e aos 24 anos veio para a América como ciclista. Mais tarde, decidiu realizar algumas alterações que permitissem maior segurança, melhores condições climáticas, formação e distanciamento do trânsito dos grandes centros urbanos. Posteriormente, juntou-se a mais colegas ciclistas e juntos adicionaram música aos treinos de forma a torná-los mais agradáveis. Assim, aos poucos veio a nascer uma nova actividade baseada no ciclismo que poderia perfeitamente ser desenvolvida nos ginásios. Alguns anos depois, a ideia foi copiada por milhares de empresas tornando-se num negócio mundial (Barbado Villalba, 2007). No ano de 1995, por toda a América, se praticava CI e hoje existem mais de instrutores espalhados pelo Mundo e que ensinam esta modalidade em mais de 100 países. O programa inicial foi evoluindo e surgiram diversas empresas a desenvolver práticas semelhantes e hoje existem mais de uma dezena de filosofias de trabalho de treino do CI e dezenas de marcas de bicicletas com desenhos semelhantes à primeira bicicleta de Johnny G. (Bomtempo, 2007). O CI ou Spinning é um desporto de grupo, que, fomentando o convívio, exercita fisicamente, a nível muscular e cardiovascular. Durante uma aula de Spinning consegue-se libertar emoções, descarregar energias negativas e desfrutar de adrenalina. A actividade física também exerce efeitos no convívio social do indivíduo, tanto no ambiente de trabalho quanto no familiar (Vasques, 2008). Outros autores, entre eles, Barbado Villalba, caracterizam com bastante rigor o CI e a sua importância: O CI Trata-se de uma actividade física colectiva, realizada sobre uma bicicleta estática ao ritmo da música, em que se efectua um trabalho predominantemente cardiovascular de alta intensidade com intervenção muito elevada dos grandes grupos musculares inferiores. O treino é guiado por um instrutor que é responsável em conduzir a sessão cumprindo os objectivos previamente estabelecidos (Barbado Villalba, 2007, p. 8). 6 Deriva da roda giratória suspensa no ar. 6

35 II CAPÍTULO O treino em bicicletas estáticas, promove resultados expressivos num curto espaço de tempo, desde que utilizados os conceitos de forma cuidadosa. Segundo Frobose e Waffenschmidt (2002, p. 12), o Spinning tem as seguintes vantagens: É uma das melhores actividades físicas de resistência. Protege o sistema locomotor e os ligamentos, já que não existem impactos. Permite o início imediato da prática de acordo com as necessidades e objectivos individuais em virtude da simplicidade de movimentos e de um sistema de regulação de carga, conseguido pelo travamento da roda de balanço. O ambiente de grupo gera motivação. Os participantes têm sensações diversas em função do ritmo da música. Esta modalidade constituída por movimentos e coreografias, gera interesse a ambos os sexos. Ajusta-se perfeitamente às tendências actuais. Quando aplicado correctamente ajuda na prevenção de doenças cardiovasculares, sendo exterminador de gorduras. Já não são conhecidas as suas claras desvantagens, contudo alguns artigos editados em Setembro de 2005 na revista "Journal of Sexual Medicine" 7, resultantes de estudos efectuados no ano de 2000, informaram da possibilidade do homem se tornar impotente ao fazer ciclismo de qualquer espécie. Um selim inadaptado pode bloquear a circulação sanguínea nos órgãos genitais e provocar problemas sexuais, tanto do homem como da mulher. Existem algumas diferenças nas descobertas feitas em recentes pesquisas relacionadas com o CI, já que os participantes sentam-se em bancos geralmente mais largos e macios e constantemente são estimulados a mudar de posição (Bomtempo, 2007). O crescimento do mercado global de equipamentos de Fitness, 8 nomeadamente o Spinning, é impulsionado pelo desenvolvimento dos países e sobretudo em virtude dos seus consumidores mais abastados que manifestam interesse crescente na aptidão e estilos de vida saudáveis. 7 O Journal of Sexual Medicine é um jornal científico publicado pela John Wiley & Sons. O editor é Irwin Goldstein, (consultado em 1 de Junho de 2010). 8 Deriva do inglês e compreende estar em bom estado ou em forma. 7

36 II CAPÍTULO Survey of International Health, Racquet e membros Sportsclub Association (IHRSA) 9, em 2008 afirmaram que mais de 55 por cento dos centros de ginástica diziam que o equipamento cardiovascular estava na sua lista de compras para Os fabricantes de equipamentos de Fitness reuniram-se em Maio de 2008 na IHRSA, em San Diego, onde apresentaram um novo relatório afirmando que o mercado mundial de equipamentos de manutenção física prevê ultrapassar quase 12 bilhões de dólares em No mercado europeu de equipamento de Fitness prevê-se chegar a 3,4 bilhões de dólares até 2010, segundo o relatório (Clubindustry, 2008). Como esta prática de ciclismo em bicicletas estáticas tem pouco tempo de existência, percebe-se a importância social e económica de se aprofundar o estudo deste equipamento, modalidade e toda a sua envolvente. Existe uma carência acentuada de informações, trabalhos, reportagens e livros; daí o interesse de uma investigação pormenorizada (Albuquerque, 2006). 2.2 A bicicleta estática e a inovação São várias as designações utilizadas para referir a modalidade CI. Além de se poder chamar de Spinning, também poderá ser designada por Scwinn 10 ou RPM 11. Esta modalidade vai adquirindo diferentes designações consoante a empresa que fabrica as bicicletas, a marca, ou o programa de treino. Todas elas utilizam uma bicicleta estática, o pedalar e, muitas vezes, ritmos musicais de acompanhamento ambiental. 9 Maior organização de Health Clubs (clubes de saúde) mundial. 10 Deriva de uma marca de bicicletas. 11 Deriva de rotação por minuto. 8

37 II CAPÍTULO Segundo Barbado Villalba (2007) e Albuquerque (2006), estruturalmente a bicicleta convencional e de Spinning (Figura 2) é formada pelos seguintes constituintes: Pontos de apoio entre a máquina e ciclista sobre os quais se reparte o seu peso: Selim - deve ser utilizado um fundo em gel para aumentar o amortecimento, ajustamento de distância na horizontal e vertical de modo a que o ajuste seja possível para utilizadores com alturas de 1,4 até 2,1 m e com peso até 160 kg 12. Guiador - geralmente é revestido por um polímero para protecção, versátil, com muitos locais de colocação das mãos e ajustado verticalmente. Pedais - elementos fundamentais (do ponto de vista biomecânico) de transmissão de energia entre o ciclista e a bicicleta; tradicionalmente as bicicletas podem vir equipadas com pedal de plataforma ou com pedal duplo; de um lado uma plataforma normal e do outro uma plataforma especial que permite o encaixe automático (SPD 13 ) de calçado apropriado para o ciclismo, fornecendo maior firmeza e segurança aos pés. Outros elementos importantes: Roda de balanço - pesa entre 13 e 22 kg, podendo atingir máximos de cerca de 30 a 31 kg; proporciona um alto grau de inércia e consegue-se um ritmo mais contínuo e redondo no pedalar. Regulador de carga por travagem - deve-se evitar cabos de aço, mecanismo de ajustamento de esforço e paragem de emergência, toma por base a resistência originada no atrito entre a roda de balanço e um calço com uma camada de tecido de algodão ou compósitos, por exemplo, nylon e fibras de carbono. Actualmente, já existem bicicletas no mercado com calços magnéticos onde não existe contacto da roda com o calço e é utilizada uma roda de alumínio que sofre resistência em função da distância entre o calço e um hímen magnético. Transmissão - poderá funcionar através da utilização de uma correia ou corrente. 12 Para muitas bicicletas no mercado, o peso máximo recomendado por utilizador varia entre 100 e 120 kg. 13 Sistema patenteado pela Shimano. 9

38 II CAPÍTULO Figura 2 - Elementos principais de uma bicicleta estática para prática do Spinning Existem duas categorias de bicicletas estáticas: Pinhão livre 14 (roda livre comum) - Ergonómicas verticais e horizontais - travagem mecânica ou magnética e controlo de carga através de instrumentação de medição. Pinhão fixo 15 - CI - travagem mecânica e controlo de carga subjectivo. Tem havido uma rápida evolução, tanto na bicicleta como no treino nos ginásios. As empresas fabricantes continuamente tentam evoluir os seus modelos. São efectuadas mudanças com o intuito de que a prática do ciclismo aconteça de uma forma segura, confortável e de maneira mais eficiente (Albuquerque, 2006). As inovações são caras para as empresas, pois necessitam de investigações cuidadosas antes de desenvolver e lançar produtos no mercado. Simultaneamente, a rapidez exigida é 14 A roda de balanço gira independentemente dos pedais. 15 A roda de balanço gira em simultâneo com os pedais. 10

39 II CAPÍTULO cada vez maior, porque a novidade de hoje torna-se obsoleta ao fim de pouco tempo, conforme referido por Lindon: A novidade de um produto é determinada pela percepção que têm dele os indivíduos quando confrontados com essa inovação é qualquer coisa vista como sendo nova pelo eventual utilizador, a adopção do novo produto traduz-se por uma modificação significativa no comportamento do comprador (Lindon, 2000, p. 202). Inovação em engenharia muitas vezes significa o uso inteligente de um novo material, por exemplo, tentar fazer melhor com polímeros e materiais cerâmicos, o que anteriormente era bem feito com metais (Ashby e Jones, 1996). Actualmente, existem algumas variantes com carácter inovador do CI, será exemplo o Power Mind (PM) e o Water Spinning (WS). Portugal é pioneiro na prática do PM e foi Cris Carvalho, Master Trainer internacional em Coaching 16 e Programação Neurolinguísta, que criou um curso onde se junta o exercício físico e as neurociências e pretende ser uma nova ferramenta na programação do cérebro de modo a alcançar o sucesso. Esta inovação, teve por base a descoberta realizada por pesquisadores do Howard Hughes Medical Institute (HHMI) 17 ; descobriram que a prática de exercício físico impulsiona o crescimento de novas células cerebrais, permitindo um maior controlo sobre os pensamentos e comportamentos, capacidade criativa e de aprendizagem e memória, saúde física e equilíbrio mental, autoconfiança, motivação e iniciativa (Gonçalves, 2009). As sessões de PM são ministradas em ginásios ou Health Clubs e decorrem em salas equipadas com bicicletas CI, acompanhadas por um ou dois instrutores e músicas com temas dentro das áreas das Neurociências, Programação Neurolinguística, Coaching, Liderança e Inteligência Emocional (Gonçalves, 2009). Outra novidade, o WS, surgiu em 2006 e é praticado numa bicicleta (Figura 3) fabricada em materiais inoxidáveis, ajustável e devendo ficar colocada imersa em água. É a 16 Processo que visa fomentar o conhecimento individual e impulsionar o desejo de melhorar ao longo do tempo. 17 Organização de pesquisa médica, sem fins lucrativos, desempenha um papel importante na investigação biomédica e educação científica nos Estados Unidos, (consultado em 10 de Julho de 2010). 11

40 II CAPÍTULO última novidade na área das piscinas, permite diferentes níveis de resistência e pode ser pedalada para a frente e para trás. Muito fáceis de instalar, as sessões são simples e acessíveis, sendo orientadas por um instrutor em ambiente musical. Figura 3 - Bicicleta estática para prática do Water Spinning A hidromassagem dada pelo movimento da água até ao nível do peito fortalece as pernas, nádegas, braços, abdómen e pulmões e revigora o coração. Estas inovações têm como fundamento as aplicações inerentes, no entanto existem algumas correntes inovadoras que têm como base a constituição e desempenho da bicicleta. A mais recente refere-se à aplicação de mecanismos tendentes a introduzir movimentos angulares relativos de forma a torná-las mais parecidas com as bicicletas comuns (Pinzon, 2010). Contudo o mercado ainda não mostrou grande interesse neste tipo de novidade e nos prováveis benefícios. 12

41 II CAPÍTULO 2.3 A selecção de materiais no projecto mecânico A possibilidade de transformar um material maleável em outro com propriedades mecânicas totalmente diferentes marcou o início da ciência e engenharia dos materiais. Ao realizar um projecto, tem-se em vista obter uma boa funcionalidade do equipamento mecânico, com custos reduzidos. Para isso é extremamente importante executar uma Selecção de Materiais (SM) de acordo com a aplicação desejada, analisando se as propriedades mecânicas atendem às necessidades do equipamento e comparando com o custo de aquisição dos materiais. O processo de projecto é iterativo e incremental (Figura 4); para cada componente deve-se ter em conta a sua função, material, forma (geometria e dimensões) e interacções (Ashby, 1999). Figura 4 - Problema central da SM no projecto mecânico (Ashby, 1999) Desde o início da civilização, os materiais são usados com o objectivo de permitir e melhorar a vida do ser humano. Segundo Ashby e Jones (1998) existem mais de materiais disponíveis para o engenheiro usar em qualquer projecto mecânico. O projectista tem de se munir de ferramentas capazes de ajudar a escolher um vasto cardápio de materiais que melhor se adaptem a determinada finalidade e de maneira a evitar a catástrofe. 13

42 II CAPÍTULO Ao analisar o que ocorreu durante a Segunda Guerra Mundial em que os soldados sofreram pesados prejuízos em virtude de um navio mercante ter fracturado em pleno mar, não por um ataque inimigo, mas pela limitada resistência à fractura do aço e, em particular, da fragilidade nas soldaduras. Algum tempo após, três aeronaves se perderam e se veio a perceber que durante o projecto, foi dada maior importância ao design dos caixilhos das janelas do que ao próprio material utilizado no seu fabrico (Ashby e Jones, 1998). Por tudo isto, é muito importante que na fase de concepção se tenha em atenção o processo de SM. A inovação tecnológica aliada à SM teve um reconhecimento significativo a partir da implantação de novos materiais. Durante muitos anos, as épocas foram designadas pelos materiais usados, por exemplo, a idade da pedra, do bronze e do ferro. Contudo, hoje não vivemos a época de um material em especial, mas sim uma época de grande variedade de materiais. A lista de materiais disponíveis ao engenheiro expandiu-se tão rapidamente que projectistas de há vinte anos atrás podem ser perdoados por não saberem da existência de metade deles. Neste contexto, a humanidade tem assistido a um aumento exponencial de inovações (Ashby, 1999). Assiste-se a uma evolução dos materiais e à contínua substituição dos materiais existentes por resultado do desenvolvimento de tecnologias associadas ao seu fabrico. Segundo Ashby (1999), prevê-se para a taxa de desenvolvimento das novas ligas metálicas uma lenta evolução, e mesmo em alguns países a procura do aço e ferro fundido é manifestamente baixa. Por outro lado, os polímeros e os compósitos industriais tem sofrido uma expansão mais rápida e o mesmo se pode dizer dos cerâmicos. A Figura 5 apresenta esquematicamente a importância relativa ou volume de utilização ao longo do tempo, para os quatro materiais comuns, ou seja, os metais, os polímeros, os compósitos e os cerâmicos. No período da II Guerra Mundial, os metais são de extrema utilidade, mas a necessidade de construções com elevado desempenho, tem impulsionado os outros. Em particular, ao longo dos últimos cinquenta anos, os compósitos têm suscitado o aparecimento de novos produtos. 14

43 II CAPÍTULO Figura 5 - Evolução da engenharia dos materiais com o tempo (Ashby, 1999) Seleccionar um material de entre milhares disponíveis é um verdadeiro problema, mas o especialista em materiais tem que ter capacidade e conhecimentos de modo a realizar uma escolha sensata de forma a evitar os erros que levaram ao constrangimento ou tragédia no passado. A dificuldade é ultrapassada, tendo por base vários critérios nos quais a decisão final é normalmente baseada. Antes de mais nada, as condições de serviço devem ser caracterizadas, uma vez que estas ditarão as propriedades requeridas do material. Somente em raras ocasiões um material possuirá uma combinação máxima ou ideal de propriedades compatíveis, relativamente ao desejado (Callister, 1991). Em cada fase do processo (Figura 6), na análise e refinamento de projecto, está associada uma fase importante de selecção de materiais, sendo necessária informação para cada uma delas ao nível dos materiais, variando muito em dimensão e precisão (Ashby, 1999). 15

44 II CAPÍTULO Figura 6 - Fluxograma representativo da interacção Projecto/Materiais (Ashby, 1999) 2.4 A análise estática e dinâmica no projecto mecânico Os fabricantes de equipamentos mecânicos são cada vez mais solicitados a pedidos inflexíveis dos clientes e mercados, ao nível do preço e qualidade. Nesse sentido, os seus projectistas têm que se munir de ferramentas capazes de avaliar os projectos no inicio do ciclo e que determinem as causas das falhas prematuras, explorem as alterações de forma a reduzir o custo e peso e que especifiquem o factor de segurança. Essas ferramentas de análise auxiliam os engenheiros a testar materiais, simular o desempenho, identificar e resolver problemas antes do fabrico de protótipos e da produção e permitem que os produtos sejam lançados com rapidez no competitivo mercado (SolidWorks Corporation, 2006). A facilidade e flexibilidade de uso do software SolidWorks aliado ao seu pacote de simulação CosmosWorks baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF), sobressai relativamente a muitos outros. É um dos softwares amplamente utilizado na indústria mecânica de transformação, e que se bem empregado e estudado, pode ser aplicado amplamente nas diversas áreas da engenharia metalúrgica. Possui, na sua interface, todas as 16

45 II CAPÍTULO funcionalidades para obtenção do resultado final, desde o desenho de peças complexas até às simulações. O MEF é uma técnica de cálculo utilizada para obter soluções aproximadas de problemas de limite na engenharia. Dependendo do tipo de problema físico que está sendo analisado, as variáveis de campo podem incluir, citando-se apenas algumas, o deslocamento físico, temperatura, fluxo de calor e velocidade do fluido (Hutton, 2004). Para se evitar o re-projecto ou o colapso catastrófico, imediato ou ao longo do tempo, de um determinado equipamento, utiliza-se a análise estática como ferramenta de simulação baseada no estudo das deformações e tensões e comparando-as com os valores admissíveis. Os projectistas podem optimizar as geometrias, minimizar o peso e determinar o factor de segurança. A análise de cascas é particularmente útil em máquinas que incorporem chapas metálicas (SolidWorks Corporation, 2006). A análise dinâmica também é muito importante no desenvolvimento de mecanismos, mesmo sendo de grande complexidade. Os projectistas podem analisar os movimentos na fase de concepção e detectar interferências dinâmicas antes da produção de protótipos, permitindo economizar tempo e dinheiro (SolidWorks Corporation, 2006). 2.5 As ferramentas do projecto detalhado A comunidade técnico-científica tem desenvolvido um conjunto de ferramentas de apoio à concepção e ao desenvolvimento de bens, de modo a auxiliar na identificação das necessidades dos destinatários dos mesmos e na sua transposição para um determinado produto ou serviço, capaz de satisfazer, ou, de preferência, de ultrapassar, as expectativas. Esta actuação tem vindo a ser utilizada de uma forma casuística e não integrada. No contexto actual, a implementação impõe-se de uma maneira sistemática e intensiva, não só pelos benefícios inerentes, mas também porque constituem uma forma privilegiada de evolução organizacional (Pires, 1999). 17

46 II CAPÍTULO Segundo Pahl et al. (2007), as actividades dos projectistas podem ser classificadas do seguinte modo: Conceptualização, ou seja, procura dos princípios da solução. Incorporamento, princípio da solução através da determinação do arranjo e formas preliminares e materiais de todos os componentes. Detalhamento, ou seja, a finalização de projecto e os detalhes operacionais. Informática, representação e recolha de informações. Estas ocorrem durante todas as fases do processo de projecto. Tidd, Bessant e Pavitt (2003) caracterizam o desenvolvimento de um novo produto ou a sua alteração por um processo gradual de redução da incerteza que se inicia numa série de fases de resolução dos problemas, passando pela fase de monitorização e selecção, e terminando com a execução, existindo pelo caminho um elo de ligação relacionado com a tecnologia e mercado (Figura 7). Figura 7 - O funil de desenvolvimento de um produto (Tidd et al., 2003) A actividade do detalhamento determina as disposições definitivas dos elementos: a forma, as medidas, os acabamentos, os detalhes, as especificações dos materiais, etc.. Nela é feita a última revisão dos custos da produção antes da passagem à realização física do produto. 18

47 II CAPÍTULO Tidd et al. (2003) classificam os projectos em diferentes tipos: Projectos derivados - envolvem pequenas mudanças nos produtos ou sistemas existentes. Projectos de sucesso - aqueles que criam mercados ou produtos novos requerendo grandes recursos e uma visão estratégica. Projectos de plataforma - envolvem melhorias relevantes e incrementais, mas ainda ligados a uma plataforma básica. Projectos de I&D 18 - especulativos e orientados para o futuro explorando onde a empresa possa estar dentro cinco ou mais anos. Projectos de alianças - entre empresas com o intuito de partilhar custos e riscos, apresentando alguns problemas de cooperação e coordenação. Projectos, como o derivado ou de plataforma, procuram tornar o produto mais eficiente, mantendo as suas qualidades e características e eliminando os problemas. Normalmente, em qualquer das situações o produto passa a ser considerado uma nova criação pelo mercado. Exemplos com êxito, são os referentes a produtos actualizados anualmente em pequenos detalhes, como é o caso dos produtores de automóveis, que para se manterem competitivos, submetem os seus produtos a pequenas melhorias periódicas, até ocorrer a mudança do produto na totalidade. Também se depara constantemente no mercado com produtos que são similares entre si, divergindo apenas em pormenores de cor, forma, escala, etc., e mesmo assim são considerados como produtos novos. Do ponto de vista do marketing, um produto que para uma empresa é considerado como tendo uma melhoria, para o mercado pode ser apresentado como novo (Dufour, 1996). Existem diversas ferramentas de verificação e análise que são utilizadas no detalhamento do projecto, servindo para eliminar os pontos fracos e melhorar o produto, ainda que se recomende inclui-las desde o inicio na generalidade das actividades do projecto. 18 Investigação e desenvolvimento. 19

48 II CAPÍTULO Segundo Dufour (1996), os seguintes itens, correspondem a algumas das ferramentas possíveis de utilizar no detalhamento de um projecto: Produção e Montagem - DFMA 19 - adequa o produto da melhor maneira às características da produção e montagem, procurando melhorar a qualidade e reduzir o tempo de produção e montagem. Confiabilidade - FMEA 20 - aumenta o conhecimento do produto e as possíveis consequências das falhas decorrentes do processo de projecto, assegurando que os resultados de qualquer falha irão causar o mínimo de estragos ao equipamento e não darão prejuízo aos utilizadores. Mantenabilidade - minimiza os requisitos da manutenção correctiva e preventiva do produto, quando este passa a ser utilizado pelo consumidor, com o menor custo possível. Factores humanos - ergonomia - adequa o homem à máquina através da observação dos modos de utilização (postura, posição, força, etc.), do estudo dos aspectos estruturais de cada elemento com que o utilizador realiza a actividade e analisa as medidas preventivas ao nível da segurança e saúde. Estética - design - aumenta os padrões do projecto relativamente à concorrência ao nível dos factores construtivos, funcionais e expressivos; considera as limitações dos meios de produção disponíveis e não incrementa os custos. Meio ambiente - DFE 21 - atende às considerações ambientais como uma parte integrante do processo de projecto do produto, com o objectivo de facilitar a sua reciclagem, assim como adaptar novos materiais e processos. 19 Design for Manufacturing and Assembly (Projecto para a Produção e Montagem). 20 Failure Mode and Effect Analysis (Projecto e Avaliação da Confiabilidade). 21 Design For Enviroment (Projecto para o Meio Ambiente). 20

49 II CAPÍTULO 2.6 O projecto e a NP EN ISO 9001:2008 Segundo Pires (2004) tem-se assistido a alterações ao nível da inovação, produtividade, qualidade e competitividade, resultante da drástica redução dos ciclos de concepção e desenvolvimento dos produtos. As organizações obrigam-se a assumir técnicas e métodos em função da complexidade dos problemas e do nível de competitividade dos mercados. Neste contexto, Pires afirma: a qualidade já não se discute, porque sem ela a organização não sobrevive. A adopção de um sistema de gestão da qualidade é uma decisão estratégica das organizações e resulta num acréscimo de valor em termos do seu desempenho. A certificação pela qualidade deve seguir um referencial segundo as normas da série ISO 9000 e quando uma empresa cumpre os requisitos dessas normas, uma entidade certificadora e acreditada pelo Sistema Português da Qualidade (SPQ) emite um certificado do mesmo, por um determinado período de tempo (Costa, 2009). Desde 1996 que os sistemas de gestão pela qualidade podem ser implementados de acordo com normas ISO da série Segundo Silva e Pereira (2000), no ano de 1998 as empresas do ramo do ciclismo (EC), à semelhança de toda a evolução nacional, tiveram necessidade de entrar em mercados mais competitivos e verificou-se um aumento substancial de empresas certificadas (Gráfico 1). Gráfico 1 - Certificação no sector do ciclismo em 1998 (Silva e Pereira, 2000) 21

50 II CAPÍTULO O número de empresas tem vindo a crescer gradualmente e segundo o Instituto Português de Acreditação (IPA) em 31 de Dezembro de 2008 o número de empresas certificadas no âmbito do SPQ era de 5211 (IPQ, 2008). Actualmente, já se encontra em vigor a terceira geração das normas da série ISO 9000, a NP EN ISO 9001:2008. Esta norma, no seu requisito 7.3 respeitante à concepção e desenvolvimento, exige que os produtos de uma empresa sejam controlados desde o início e avaliados e validados para garantir que atenderão de forma eficaz e eficiente às necessidades dos clientes. Exige-se um planeamento devidamente registado de forma controlada pelo que a documentação e registos daí resultante deve estar em conformidade com procedimentos prédefinidos, incluindo quem, quando e como. Segundo a NP EN ISO 9001:2008 o processo de concepção e desenvolvimento, no caso para uma bicicleta estática, Figura 8, pode ser representado por uma série de actividades. Figura 8 - Processo de concepção de uma bicicleta estática (Pires, 2004) 22

51 II CAPÍTULO As alterações na concepção e desenvolvimento devem: Ser identificadas e os registos mantidos. Ser revistas, verificadas e validadas conforme apropriado, e aprovadas antes da implementação. A revisão das alterações na concepção e no desenvolvimento deve incluir a avaliação do efeito das alterações nas partes constituintes e no produto que já foi entregue. Os resultados da verificação e de quaisquer acções necessárias devem ser mantidos. O grande benefício da inovação em termos de crescimento e competitividade das organizações, obrigou à criação de uma norma genérica, flexível, abrangente e integradora (Figura 9), que dinamiza-se as políticas e desempenho. A certificação pela NP 4457 referente aos sistemas de Gestão de Investigação, Desenvolvimento e Inovação (IDI), tornou-se fundamental no desenvolvimento sustentado da inovação industrial. Figura 9 - Sistema de Gestão da Qualidade (Andrade, 2009) 23

52 II CAPÍTULO 2.7 Produção convencional e as novas tecnologias No ano de 1998, as pequenas e médias empresas (PME), como é o caso da maioria das EC (Gráfico 2), já apresentavam alguns equipamentos com tecnologia topo de gama, capazes de produzir grandes séries, de maior complexidade e valor acrescentado. Existia ainda uma grande quantidade de equipamentos antigos, que, de alguma forma, tornavam mais difícil a modernização, uma vez que são pouco versáteis e consequentemente a produção era de maior complexidade (Silva e Pereira, 2000). Gráfico 2 - Equipamento produtivo das EC em 1998 (Silva e Pereira, 2000) O rápido desenvolvimento, nos últimos anos, da electrónica, da informática e dos materiais está a modificar os cenários tradicionais utilizados pelas empresas, de forma a poderem encarar a competitividade e as inerentes mudanças de mercado (Marques, 1991). Os sistemas de produção assistidos por computador oferecem às empresas a possibilidade de resolver os problemas de conflito entre os objectivos da produtividade e a flexibilidade. A utilização de novos materiais, novos métodos de cálculo, da inteligência artificial e da visão assistida por computador veio introduzir mudanças na forma de actuação das empresas e no modo de desenhar e fabricar os produtos. 24

53 II CAPÍTULO Segundo Marques (1991) existem várias novas tecnologias aplicadas à produção, nomeadamente: CAD 22 - sistema computorizado que ajuda na actividade de desenho e proporciona funções de apoio na fase da pormenorização (CAE 23 ) que compreende a criação de geometrias e a sua interacção com programas de análise ou projectos de engenharia envolvendo operações aritméticas, tais como análise de tensões, transferência de calor ou dinâmica de fluidos. CAP 24 - fornece meios para executar a preparação dos programas de trabalho, programação NC 25 (Controlo Numérico), e a compilação das listas de peças. CAM 26 - ligação entre o sistema de planeamento (planear a produção, estabelecer requisitos de quantidade, datas de fim de produção e capacidade) e o controlo da produção (distribuição das tarefas e fiscalização do progresso); também inclui a programação CNC (Controlo Numérico por Computador), DNC (Controlo Numérico Directo-Descentralizado), robôs, máquinas de medidas por coordenadas (CMM 27 ) e outros equipamentos programáveis; o desenho e a produção com ajuda de computadores, é comum chamar-se de CAD/CAM. FMS 28 - sistema de fabricação flexível compreendendo vários postos de trabalho interligados por um sistema de transporte de peças automático, permitindo a fabricação de várias peças ao mesmo tempo. CIM 29 - compreende a totalidade da produção integrada por computador. 22 Computer Aided Design 23 Computer Aided Engineering 24 Computer Aided Planning. 25 Numerical Control. 26 Computer Aided Manufacturing. 27 Computer Measure Machines. 28 Flexible Manufacturing System. 29 Computer Integrated Manufacturing. 25

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55 III CAPÍTULO 3 Ferramentas de selecção de materiais e de cálculo num projecto mecânico 3.1 Introdução Uma das tarefas mais importantes que se coloca a um engenheiro diz respeito à SM referente ao projecto de um determinado produto. Uma imprópria ou inadequada decisão pode ser desastrosa em duas perspectivas: económica e segurança. As propriedades de um material específico, dependem da sua estrutura, e, em muitos casos, a estrutura pode ser formada pela técnica de processamento que é empregada durante a produção. Para um engenheiro, o projecto deve ser visto em vários contextos. Antes de tudo, pode significar a concepção com base em novos materiais com combinações de propriedades exclusivas. Alternativamente, o projecto pode envolver a selecção de um novo material com uma melhor combinação de características para uma aplicação específica. A escolha do material não pode ser feita sem levar em conta os processos de produção necessários (por exemplo, moldagem, soldadura, etc.), que também contam com as propriedades do material. Ou, finalmente, o projecto pode significar o desenvolvimento de um processo de produção para que um material fique com melhores propriedades (Callister, 2007). Os maiores avanços tecnológicos verificados na sociedade moderna têm a ver com a descoberta e desenvolvimento dos materiais de engenharia e processos de fabricação usados na sua obtenção. Na prática, pode-se garantir uma maior eficiência na selecção de um material para um fim específico se existir a possibilidade de usar vários métodos e confrontá-los. Existe um alto número de factores que afectam a SM, mas o projectista deverá determinar quais são as propriedades mais importantes. A análise e refinamento devem ser realizados com a ajuda de recomendações (métodos tradicionais), mapas de materiais (método gráfico) ou informação escrita que se encontra em fontes bibliográficas ou em forma de software (Álvaro González e Hernán Mesa, 2004). A SM é uma tarefa dinâmica e os princípios que a controlam são constantemente alterados à medida que novos materiais são concebidos, bem como os requisitos técnicos e económicos podem ser mudados. 27

56 III CAPÍTULO 3.2 Materiais de engenharia Tem-se assistido a um forte desenvolvimento de alguns materiais, como os poliméricos, compósitos, cerâmicos, semicondutores 30 e biomateriais 31, e mesmo nas ligas metálicas, como as de titânio. Estes têm permitido um avanço significativo em inúmeras áreas de extrema importância, como, por exemplo, a mecânica, naval, aeroespacial, automobilística, electrónica, medicina e odontologia. Segundo Callister (1991) os materiais sólidos têm sido classificados em três tipos: Metais. Cerâmicos. Polímeros. Esta classificação tem essencialmente por base a constituição química e a estrutura atómica, e muitos materiais fazem parte de um dos tipos, embora existam alguns intermédios. Em complemento, existem mais dois importantes grupos de materiais de engenharia (ME): Compósitos. Semicondutores. Por outro lado, Ashby (1999) classificou os ME em seis grandes classes (Figura 10), em que os constituintes de cada uma apresentam idênticas propriedades, formas de processamento e aplicações similares. 30 São sólidos cristalinos com condutibilidade eléctrica intermédia entre os condutores e isolantes. Podem ser tratados quimicamente para transmitir e controlar a corrente eléctrica. 31 São definidos como materiais utilizados com capacidade de substituição, na totalidade ou em parte, dos sistemas biológicos. Podem ser metálicos, cerâmicos, poliméricos (sintéticos ou naturais), compósitos. 28

57 III CAPÍTULO Figura 10 - Classes dos materiais de engenharia (Ashby, 1999) Segundo Padilha (2000) os materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos apresentando grande quantidade de electrões livres o que favorece uma excelente condutibilidade eléctrica e calorífica, mas por outro lado não são transparentes à luz. Muitos são utilizados em estruturas pelo facto de serem resistentes e deformáveis. Os metais, tais como o cobre, ouro e ferro são conhecidos e usados há muitos milénios. Henry Bessemer em 1856 desencadeou a produção de aço em grande escala e inaugurou uma nova fase na história da humanidade, a idade do aço. Lesko (2004) dividiu os materiais metálicos da seguinte forma: Ferroso - a rede cristalina forma-se quando metais ferrosos solidificam a partir do estado líquido. Os átomos arranjam-se em configurações do tipo cúbica de faces centradas (CFC), cúbica de corpo centrado (CCC) ou tetragonal de corpo centrado. O ferro é o principal constituinte, sendo o aço ligado um dos metais mais utilizado em virtude da sua ampla faixa de propriedades mecânicas e físicas, contudo, são susceptíveis à corrosão. O tratamento térmico do aço é um dos métodos usuais de melhoria das propriedades mecânicas. As propriedades dependem do valor do teor de carbono (aço macio - carbono inferior a 2%, ferro fundido - carbono superior a 2% e aço de construção - carbono entre 0,2% e 0,5%), mas também da presença eventual de outros elementos de liga, tais como o silício, o cobre, o manganésio, o níquel e o vanádio. 29

58 III CAPÍTULO Não ferroso (ligas de alumínio, cobre, estanho, zinco, chumbo, níquel, etc.) - o ferro não é o principal constituinte, apresentam alta variedade de propriedades mecânicas e físicas, possuem uma ampla variedade de pontos de fusão e diferem muito no custo e desempenho. Os materiais cerâmicos são uma combinação de elementos metálicos e não metálicos, destacando-se os óxidos, nitretos e carbonetos. Do ponto de vista das ligações químicas, eles podem variar desde predominantemente iónicos até predominantemente covalentes. São isolantes térmicos e eléctricos, mais resistentes a altas temperaturas e a ambientes corrosivos que os metais e os polímeros. Novas técnicas de processamento permitem que sejam utilizados em aplicações de maior resistência, como em turbinas. São duros e frágeis. Os materiais cerâmicos apresentam a seguinte classificação: Cerâmicos tradicionais (obtidos a partir de matérias-primas naturais: argila, sílica e feldspato) - cerâmicos estruturais (tijolos, telhas, etc.), louças e azulejos e refractários (revestimentos de fornos, etc.). Apresentam-se duros e simultaneamente muito frágeis. Cerâmicos técnicos, avançados ou de engenharia (baseados em compostos puros) - como seja a alumina (Al 2 O 3 ), o carboneto de silício (SiC) e o nitreto de silício (Si 3 N 4 ). Têm uma composição e tamanho definido, forma e distribuição das partículas devidamente controladas. São muito leves, de boa resistência mecânica, excelente resistência à corrosão e quando combinados com um reforço, por exemplo de fibras, são-lhes melhoradas a ductilidade e tenacidade. Os vidros são silicatos não cristalinos com misturas de óxidos (Al 2 O 3, Na 2 O, etc.) e também são classificados como materiais cerâmicos. São sólidos amorfos, duros e frágeis, de excelente resistência ao tempo e à maioria dos produtos químicos. De entre muitas utilizações quotidianas, há a salientar os desenvolvimentos na indústria do vidro, relacionados com a utilização de materiais reforçados com fibras de vidro e com as fibras ópticas usadas na transmissão de informações. 30

59 III CAPÍTULO Os materiais poliméricos 32 são constituídos de macromoléculas orgânicas, sintéticas ou naturais. São resultantes de reações químicas de polimerização e baseados em carbono, hidrogénio, e outros elementos não metálicos. Estes materiais têm baixas densidades e podem ser extremamente flexíveis, leves, isolantes eléctricos e térmicos, boa resistência à corrosão e baixa resistência ao calor. O petróleo e o gás natural são as duas principais matérias-primas usadas na produção dos polímeros. Segundo Padilha (2000) o nível de desenvolvimento industrial de um país ou continente pode ser avaliado pelo consumo de polímeros (Gráfico 3). Gráfico 3 - Consumo de polímeros em diversos países e regiões por habitante (Padilha, 2000) Os polímeros podem ser classificados em três grupos: Termoplásticos - normalmente são constituídos por cadeias lineares. Quando reaquecidos podem ser várias vezes conformados mecanicamente. É possível a reciclagem. Variam de parcialmente cristalinos a totalmente amorfos. Exemplos: polipropileno, polietileno, policloreto de vinilo (PVC) e poliestireno. 32 O termo polímero vem do grego e significa muitas partes. 31

60 III CAPÍTULO Termoendureciveis - contêm ligações cruzadas entre as moléculas poliméricas vizinhas, com dificuldade no movimento das cadeias e completamente amorfos. São conformáveis plasticamente somente num estágio intermédio da sua produção, geralmente por um processo de cura. Apresentam-se duros e uma fusão posterior não é possível e portanto não são recicláveis. Exemplos: fenólicos, resinas epoxídicas e poliésteres. Elastómetros ou comummente designados por borrachas - após uma grande deformação têm a capacidade de recuperar o comprimento inicial. O intervalo de temperatura correspondente ao comportamento de elastómero varia entre um valor de referência acima da transição vítrea 33 e uma outra temperatura de referência acima da qual há degradação significativa. São parcialmente cristalinos. Exemplos: borracha natural, neopreno, borracha de nitrilo e borracha de flúor. Os materiais compósitos são materiais projectados de modo a conjugar características desejáveis de dois ou mais materiais classificados em dois tipos: matriz e reforço. A matriz pode ser polimérica, metálica ou cerâmica. A matriz confere estrutura ao material compósito, preenchendo os espaços vazios que ficam entre os materiais reforços e mantendo-os nas suas posições relativas. Os reforços são os que realçam as propriedades mecânicas, electromagnéticas ou químicas do material como um todo (Padilha, 2000). Um exemplo típico é o compósito de fibra de vidro em matriz polimérica. A madeira também é um material compósito natural, com matriz e reforço poliméricos. O betão é outro compósito comum. Neste caso, tanto a matriz como o reforço são materiais cerâmicos. Na década de 1970 iniciou-se um grande desenvolvimento e utilização dos materiais compósitos. Charles Eames foi um dos primeiros projectistas a reconhecer as vantagens do uso real (Figura 11) dos compósitos, por relação peso/resistência muito baixa, tolerância balística, dureza, resistência electromagnética, baixa rastreabilidade por radar, etc.. Actualmente, existe um entusiasmo na procura de novas combinações de materiais que farão, aquilo que se pensava que fosse, o impossível (Lesko, 2004). 33 Transição dúctil-frágil. 32

61 III CAPÍTULO Figura 11 - Protótipo do NH-90 à base de compósitos 3.3 Critérios de selecção de materiais Por factores económicos, o preço é um dos principais, ou, por múltiplas vezes, mesmo o principal parâmetro de decisão na selecção do material a aplicar num determinado produto. Existem, no entanto, muitas outras aplicações onde certas propriedades dos materiais, em detrimento do preço, preponderam nos critérios de selecção, sendo exemplo a construção de naves espaciais em que o custo dos materiais empregues pode ficar em segundo plano. Outro factor determinante e que contribui para a complexidade dos procedimentos de selecção é a interferência do processo de fabrico nas propriedades finais, nos custos de exploração e mesmo no eventual investimento inicial. Na prática, o processo de selecção de materiais nem sempre é uma actividade simples e linear, chegando-se, frequentemente, a situações de diversos critérios conflituantes, carecendo de procedimentos de interacção e de optimização. Segundo Ferrante (2002) existem vários critérios a atender no processo de SM, nomeadamente: Consideração dimensional - o tamanho de uma determinada peça é um parâmetro que aparentemente tem pouca relação com a SM. Contudo e em exemplo, se o material for aço sujeito a têmpera, há que ter presente o facto de a dureza variar em função da profundidade e composição química. 33

62 III CAPÍTULO Consideração da forma - o custo de uma peça acabada inclui a despesa incorrida durante a produção da forma desejada. Formas complexas são mais facilmente conseguidas através da utilização de materiais dúcteis e flexíveis como é o caso da maior parte dos polímeros. Consideração do peso - é um requisito universal para qualquer produto que seja móvel. A indústria automóvel é especialmente sensível a este aspecto, já que está fortemente relacionado com o consumo de combustível. Consideração da resistência mecânica - trata-se da propriedade mais conhecida e com maior número de oportunidades de escolha em virtude da grande quantidade de materiais disponíveis, contudo, essa selecção não é simples, já que pode entrar em conflito com outras propriedades, sendo o caso do conflito entre a resistência mecânica (tensão aceite pelo material), tenacidade e corrosão sob tensão 34. Muitas vezes é necessário sacrificar a primeira em favor das outras, como, por exemplo, atmosferas ricas em NH 3 (amoníaco) induzem susceptibilidade à corrosão sob tensão e onde abdicar da resistência mecânica a favor da resistência à corrosão sob tensão pode ser vantajoso. Resistência ao desgaste - esta propriedade pode ser muito importante, dependendo da aplicação e do material utilizado, onde, por exemplo, a cementação (aumento do teor de carbono) de uma camada superficial de uma peça em aço (por exemplo, uma engrenagem) para torná-la mais dura e resistente ao desgaste. Conhecimento das variáveis de operação - há casos em que é necessário proceder à substituição de materiais para permitir resistir a outros ambientes, por exemplo, um aumento de pressão ou de temperatura num equipamento da indústria química. Facilidade de produção - é evidente a relação entre a selecção de materiais e os processos de produção e seus reflexos sobre as propriedades e custos. Por exemplo, sendo a fundição e forjamento tecnicamente possíveis, deve-se ter noção 34 Exige a presença simultânea de tensões de tracção e factores ambientais específicos (carga + ambiente corrosivo crescimento de fissuras fractura). É estudada através de curvas experimentais, em que se representa a tensão aplicada em função do tempo de ruptura e determina-se a tensão limiar de corrosão sob tensão (σ CST ), abaixo da qual não se observa a ruptura. Esta tensão dividida por um coeficiente de segurança adequado poderá ser um parâmetro (tensão admissível) aproximado no dimensionamento. Por outro lado, a Mecânica da Fractura Linear Elástica (MFLE) é um pouco mais precisa ao correlacionar a velocidade da fenda da/dt e o factor de intensidade de tensões (K), em que existe um valor mínimo designado por limiar de propagação à corrosão sob tensão K ICST (MPa m), muito útil em termos práticos, abaixo o qual a velocidade de propagação é inferior a 10-7 mm/s. 34

63 III CAPÍTULO que, no geral, as peças obtidas por fundição têm propriedades mecânicas inferiores. Requisito da durabilidade - uma peça é considerada durável se durante a sua vida conserva os requisitos de projecto em termos de segurança, de funcionalidade e estética, sem custos de manutenção não previstos. Para responder a esta definição, a SM é extremamente importante. Número de unidades - dependendo da quantidade a fabricar, poder-se-á justificar a escolha de um determinado material em virtude da vantagem económica inerente ao processo de fabrico. Disponibilidade do material - muitas vezes tem que se optar por um determinado material prescindindo de algumas propriedades somente pelo facto da sua maior disponibilidade e baixo custo inerente. Custo - as estratégias podem incluir a troca de material. Num exemplo, um conjunto de pedais em nylon reforçado com fibras de vidro, utilizados num automóvel Fiat, que pesam 2,7 kg, cerca de metade do conjunto original em aço, e custam cerca de 20% menos. Existência de especificações e códigos - na produção de uma peça podem existir códigos e especificações (cadernos de encargos) que podem cobrir as mais diferentes etapas de fabricação, mesmo na definição do material a usar, por exemplo, na soldadura poderá estar especificado o material de metal de base e consumíveis. Viabilidade de reciclagem - num projecto cada vez mais se tem em conta a viabilidade de reciclagem dos produtos concebidos, e, nesse sentido, a SM é importante. Valor da sucata - a sucata gerada pode ser um motivo de escolha para um material em detrimento de outros. Grau de normalização - a utilização de materiais pode estar condicionada por normas ou leis. Tipo de carregamento - existe uma forte dependência da SM com o tipo de carregamento que uma determinada peça está sujeita. Em exemplo, não se deverá escolher um material cerâmico quando sujeito a uma carga de tracção. 35

64 III CAPÍTULO Os critérios de selecção estão intimamente relacionados com as propriedades e comportamento dos materiais. Os projectistas deverão adquirir capacidade de compreendê-los e saber os motivos de alguns se adaptarem melhor a certas aplicações e como obter a melhor performance. As propriedades podem-se organizar da seguinte forma: Propriedades mecânicas, é usual associarem-se valores numéricos que permitam a medida; sendo alcançados através da realização de ensaios de resistência dos materiais. Permitem diferenciar os materiais, ao nível do comportamento mecânico e no modo como se comportam quando sujeitos a transformações mecânicas. Podem ser modificadas através de processos ou de tratamentos, como os térmicos e, relacionam-se com a deformação sob acção de uma carga ou força aplicada, tais como: Ductilidade - revela a capacidade dos materiais se deformarem plasticamente sem romper. Poderá ser facilmente avaliada através de um ensaio à tracção e em geral, é uma característica não definida numericamente. Dureza - capacidade que os materiais têm em resistir à penetração ou a serem riscados e é determinada através de ensaios de dureza (normalmente: dureza Brinell (kg/mm 2 ), dureza Vickers (kg/mm 2 ) e dureza Rockwell). Tensão de cedência - indica a tensão máxima acima da qual se inicia a deformação plástica quando o material é sujeito a um esforço lento e progressivo de tracção. Poderá ser avaliada através de um ensaio à tracção em MPa (N/mm 2 ). Tensão de rotura - refere-se a um valor acima do qual se inicia um período instável que conduz à factura do material. Poderá ser avaliada através de um ensaio à tracção em MPa (N/mm 2 ). Tenacidade - capacidade que os materiais têm de resistir a esforços (tracção, compressão, corte, torção, etc.) de aplicação lenta e progressiva sem se desagregarem. A tenacidade está relacionada tanto com a resistência quanto com a ductilidade do material. Uma maneira de se avaliar a tenacidade de um material é através da área total sob a curva tensão versus deformação obtida em um ensaio de tracção. Tenacidade à fractura - pode ser definida de uma maneira mais precisa como sendo a habilidade do material em resistir à propagação instável de uma 36

65 III CAPÍTULO fissura, quando submetido a um carregamento estático. Um parâmetro muito utilizado para quantificar a tenacidade à fractura é o factor de intensidade de tensão crítico ou tenacidade à fractura (K IC em MPa m). Elasticidade - capacidade dos materiais se deformarem, pela acção de esforços, voltando à forma inicial logo que cesse tal acção. É quantificada através do módulo de elasticidade. Módulo de elasticidade ou de Young - corresponde à relação entre a tensão e deformação em regime elástico, quando envolvido um esforço de tracção (em projecto, traduz uma medida de rigidez, isto é, quanto maior for, menor será a deformação elástica). Poderá ser avaliado através de um ensaio à tracção em MPa (N/mm 2 ). Plasticidade - capacidade dos materiais se deformarem, pela acção de esforços, mantendo a deformação após cessar tal acção. Não existe nenhum método para quantificá-la. Maleabilidade - refere-se à propriedade dos materiais sofrerem grandes deformações plásticas pela acção de esforços violentos, sem se deteriorarem. Não existe nenhum método para quantificá-la. Resistência ao choque - capacidade do material resistir à aplicação de forças instantâneas sem romper (elevada resistência ao choque corresponde elevada resiliência 35 ). O tipo mais comum de ensaio aplicado, é o designado por Charpy. Resistência à fadiga ou tempo de vida sob fadiga - capacidade dos materiais em resistir à aplicação de esforços variáveis em sentido e intensidade, sem se degradarem. Podem-se realizar ensaios de fadiga em provetes ou componentes estruturais de modo a avaliar a resistência à fadiga. Tensão limite de fadiga - é vulgar apresentar os resultados dos ensaios à fadiga através de curvas S-N, apresentado a gama de tensões no eixo vertical e o número de ciclos de ruptura no eixo horizontal. Essas curvas, normalmente, tornam-se horizontais a partir da tensão limite de fadiga (σ fo em MPa) e, para valores inferiores o material terá vida infinita. 35 É a capacidade que o material possui de absorver energia elástica sob tracção e devolve-la quando relaxado. 37

66 III CAPÍTULO Coeficiente de Poisson - num ensaio de tracção, corresponde à razão entre a deformação transversal e a deformação longitudinal; estando relacionado com os módulos elásticos, de Young, de compressibilidade e de corte. Coeficiente de atrito - é característico de cada par de materiais, e não uma propriedade específica de cada material e expressa a oposição que apresentam as superfícies de dois corpos em contacto ao deslizar um em relação ao outro. Depende de vários factores, nomeadamente, o acabamento das superfícies em contacto, a velocidade relativa entre as superfícies e temperatura. São conhecidos os coeficiente de atrito estático (medido quando ambas as superfícies estão em repouso) e o coeficiente de atrito dinâmico (medido quando uma ou ambas as superfícies estão em movimento). Coeficiente de desgaste - normalmente em mm 3 N -1 m -1 ; é calculado através da realização de alguns ensaios com distintos valores de força normal, podendo ser retirado através do declive da linearização da representação gráfica do volume de desgaste em função do produto da distância de deslizamento pela carga normal. Propriedades térmicas, deve-se entender como a resposta ou reacção do material à aplicação de calor. Quando um sólido absorve calor aumenta a sua temperatura e a sua energia interna (somatório da energia de vibração dos átomos em redor das suas posições de equilíbrio com a energia cinética correspondente aos electrões livres). É de interesse abordar: Condutibilidade térmica - capacidade dos materiais em conduzirem o calor. Elementos de liga e impurezas, principalmente em solução sólida, diminuem a condutibilidade térmica, pois constituem pontos de espalhamento, que pioram a eficiência do transporte. Exprime-se no Sistema Internacional (SI) em watt por metro e por kelvin [W/(mK)]. Coeficiente de expansão térmica - expansão produzida no material em virtude da absorção de energia térmica. Em geral, é inversamente proporcional ao ponto de fusão do material. Expressa-se em 1/ºF ou 1/ºC. Calor específico ou capacidade calorífica - representa a quantidade de calor necessária fornecer ou retirar a um grama de uma substância para que haja uma 38

67 III CAPÍTULO variação de temperatura de um grau centígrado (J C -1 ). O calor específico pode ser medido usando um calorímetro. Temperatura de fusão - temperatura à qual ocorre no material a passagem do estado sólido para o estado liquido, i.e., energia envolvida na separação dos átomos do material. Temperatura de transição vítrea - é uma característica importante de um sólido amorfo ou de uma fase amorfa dentro de um material parcialmente cristalino, mas não é uma constante e varia numa faixa. Em termos estruturais, pode-se afirmar que acima da temperatura de transição vítrea ocorrem rearranjos das moléculas enquanto abaixo dela deixa de ser possível e a contracção remanescente é causada pela redução das vibrações térmicas com a diminuição da temperatura. Propriedades químicas, dependem da composição química dos materiais e dão indicações sobre o comportamento destes elementos quando sujeitos à acção de agentes químicos, tais como: Resistência à corrosão - capacidade que um material tem de resistir à deterioração da sua superfície sob acção de agentes externos, como exemplo, o oxigénio, produtos químicos e humidade. A intensidade do processo corrosivo é expressa a partir do cálculo da taxa de corrosão; desgaste (redução de espessura em mm/ano ou milésimos de polegada por ano (mpy); perda de massa em mg/dm 2 /dia (mdd).) verificado por unidade de superfície e referido a um intervalo de tempo específico. Resistência à oxidação - A corrosão metálica é um processo electroquímico e os metais apresenta diferentes propensões à corrosão. Durante o processo de ionização de um metal é criado um potencial eléctrico, denominado potencial de eléctrodo (em volts), medido em relação ao hidrogénio e a propensão à corrosão pode ser avaliada por esse potencial. Além de depender do metal, também depende da natureza e da concentração da solução em que o metal está imerso e da temperatura. 39

68 III CAPÍTULO Propriedades eléctricas, estão relacionadas com a estrutura e a microestrutura dos materiais, sendo extremamente sensíveis à pureza química dos elementos, nomeadamente: Resistividade eléctrica - corresponde à resistência de um material em deixar passar a corrente eléctrica e depende da resistência eléctrica. A unidade oficial é o Ωm, mas é frequentemente expressada em Ωcm. Condutibilidade eléctrica - corresponde à facilidade com que a corrente eléctrica passa pelos materiais e é o inverso da resistividade. Em função dos valores de condutividade ou de resistividade, os materiais podem ser classificados como: condutores, semicondutores e isolantes. A unidade da condutividade eléctrica é o (Ωm) -1 ou (Ωcm) -1. Constante dieléctrica - é a relação entre a quantidade de electricidade armazenada em presença de um isolante e a quantidade armazenada na presença de vácuo. Outras propriedades ou parâmetros, são de ter em conta e de modo algum poderão ser desprezáveis, tais como: Cor - comprimento de onda reflectido intrínseco. Densidade - peso por unidade de volume (g/cm³). Opacidade/transparência - capacidade de transmitir luz. Custo ou preço Disponibilidade Processabilidade Os critérios de selecção estão em constante evolução e adaptação à optimização e excelência, no processo de SM e em conformidade com uma sociedade cada vez mais exigente. Salienta-se que, actualmente, tendo sido apanágio das organizações a maior e melhor avaliação das possíveis agressões ambientais e humanas resultantes da produção ou utilização dos materiais, no processo de SM. 40

69 III CAPÍTULO 3.4 Recursos de selecção de materiais A SM é de extrema importância na acção de um engenheiro e envolve uma basta gama de conhecimentos técnicos cuja dimensão dificilmente poderá ser abrangida por uma única categoria profissional. Desde projectistas até à mais frequente colaboração de profissionais em marketing, reúnem-se condições suficientes à criação de um projecto preliminar e/ou definitivo. Ao desenvolver um produto, o estabelecimento de requisitos a, prioritariamente, serem atendidos, muitas vezes norteia uma primeira descrição funcional desse projecto. Além destes requisitos operacionais e para que o produto possa cumprir as suas funções, é necessário definir muito bem as condições de trabalho e obter elementos de análise de esforços e de um capaz dimensionamento preliminar. Juntando as condições ambientais, obtém-se uma lista de requisitos ou propriedades cuja análise e optimização constitui a base do processo de SM e que para bem orientada, também deverá incluir uma adequação aos processos de produção. Normalmente, a actividade de selecção é compreendida como o sacrifício de uma ou mais propriedades em benefício da optimização global. Nesta linha de raciocínio, pode-se afirmar que a SM e processo de produção formam um só problema complexo a ser resolvido em conjunto e interactivamente (Ferrante, 2002). O projectista têm ao seu dispor alguns recursos de SM que o ajudam a ultrapassar as dificuldades inerentes a esta actividade, fazendo uma refinação mais ou menos ampla, isto é, consegue-se determinar quais são as propriedades mais relevantes em conformidade com a aplicação em causa e com base nelas, realiza-se a selecção (Álvaro González e Hernán Mesa, 2004). Ashby (1992) desenvolveu um dos recursos mais utilizado de SM nos projectos mecânicos, designado por método gráfico ou mapas de propriedades, onde organizou os materiais através de grupos de propriedades, mapas com as seguintes características: Mostram claramente quais os materiais que satisfazem da melhor maneira os vários grupos de propriedades. São um meio efectivo de visualização das características de uma grande variedade de materiais e classes de materiais. 41

70 III CAPÍTULO Índice de eficiência Ashby (1992) definiu um conceito importante designado de Índice de Eficiência (IE) e concebeu um procedimento (Figura 12) para a sua dedução. O IE é representado por uma fórmula algébrica que expressa um compromisso, pelo menos entre duas características ou propriedades. A sua forma mais simples é uma fracção, em que o numerador corresponde à propriedade que se deseja maximizar e o denominador a que se pretende minimizar. Figura 12 - Procedimento de dedução do índice de eficiência, segundo Ashby 42

71 III CAPÍTULO Segundo Ferrante (2002) a função é normalmente concebida através de uma simples inspecção do objecto ou em função do prévio conhecimento da sua finalidade. Por exemplo, uma pá de um ventilador para produção de um fluxo de ar ou uma viga para resistir a forças de torção. O objectivo expressa o requisito correspondente à etapa de selecção e pode ser expresso por uma equação. Na continuidade do exemplo, para o ventilador pretender-se a maximização de ar ou para a viga pretender-se uma minimização de massa. A restrição relaciona-se com o desempenho e com a propriedade que o controla, no contexto do objectivo desejado. Expressa-se por uma equação, formatada pela função do produto em estudo. Ashby (1999) apresentou vários estudos de casos onde a função objectivo (P, onde P=f1[F]*f2[G]*f3[M], com F, G e M definidos na Figura 12) poderá ser separável ou não. Nos casos de funções separáveis, a SM não depende da geometria ou dos valores dos requisitos funcionais, i.e., a melhor escolha de material torna-se independente dos detalhes do projecto, ao nível de todas as geometrias, G, e de todos os valores funcionais exigidos, F. Esta simplificação acaba por permitir um enorme desempenho de todos F e G, já que são maximizados através da maximização de f3[m], designado por IE. O restante, f1[f] f2[m], designa-se por coeficiente de eficiência estrutural ou índice estrutural Índice de eficiência - dedução de um caso Considerando um projecto de um veio cilíndrico (Figura 13), onde se estabelece como critério de SM o veio ser leve e resistente à torção. Sendo assumido um momento de torção (M t ) e um comprimento (L) fixo, o raio (R) pode variar, podendo ser desenvolvida uma expressão para a massa do material pretendido em termos do momento de torção, comprimento do veio, densidade e resistência. Refira-se que este exemplo teórico-prático, apesar de enquadrado num capítulo de pesquisa bibliográfica da presente dissertação para demonstração do procedimento proposto por Ashby na dedução do IE para um corpo solicitado e a utilizar para projectar certos componentes da bicicleta estática do presente projecto, foi assim propositadamente escolhido no sentido de que fará parte de matéria preliminar e de base para propostas de trabalho e desenvolvimento futuro no âmbito do presente projecto da bicicleta estática, por substituição da corrente de transmissão de força ao volante por um veio. 43

72 III CAPÍTULO Figura 13 - Veio cilíndrico sólido sujeito a um momento de torção Aplicando o procedimento proposto por Ashby na dedução do IE, obtém-se: a) Identificação da característica a minimizar Pretende-se projectar o veio com o objectivo de minimizar a sua massa. b) Desenvolvimento da função objectivo Tendo em consideração a massa (m) do material que é resultante do produto da sua densidade (ρ) pelo volume e, por sua vez, o volume de um cilindro é πr 2 L, temse: m πr 2 Lρ (3.1) c) Identificação das variáveis livres O raio (R) pode variar, conforme os requisitos de projecto. 44

73 III CAPÍTULO d) Identificação das restrições Momento de torção (M t ) e o comprimento (L), também conforme os requisitos. e) Desenvolvimento de uma equação para as restrições A aplicação de um momento de torção (M t ) ou binário produz um ângulo de torção (θ) e no raio (R) surge uma tensão de torção (τ) definida pela Equação 3.2: M t I p R (3.2) Onde, I p corresponde ao momento polar de inércia, que para um sólido cilíndrico é: R I p 2 4 (3.3) Substituindo a expressão de I p na Equação 3.2, obtém-se: 2M R t 3 (3.4) É necessário projectar um veio capaz de resistir a uma determinada torção sem fracturar e, nesta ordem de ideias, é preciso estabelecer um critério de SM para um material leve e resistente; pode-se substituir a tensão de torção na Equação 3.4 pela resistência à torção do material (τ f ), dividida por um factor de segurança (N), obtendo-se: f N 2M R 3 t (3.5) 45

74 III CAPÍTULO f) Substituição da variável livre pelas restrições na função Colocando a Equação 3.1 em ordem a R, resulta: R m L (3.6) Substituindo esta expressão de R na Equação 3.5, obtém-se: f N 2M t 3 3 L m (3.7) g) Agrupamento das variáveis em três grupos, F, G e M Resolvendo a expressão (3.7) em ordem à massa (m), fica: m 3 3 ( 2NM ) 2 / ( 1/ t L)( ) 2 / 3 f (3.8) Onde os conjuntos entre parêntesis, do lado direito, correspondem a: N e M t referem-se aos requisitos funcionais. L refere-se à geometria. ρ e τ f referem-se às propriedades do material. 46 h) Registo do índice de eficiência a maximizar Pela Equação 3.8, conclui-se que os melhores materiais que podem ser usados para um veio leve que poderão resistir a uma torção resultante de um determinado momento são aqueles que têm o conjunto ρ/τ f 2/3 de baixo valor. O IE, a maximizar, corresponde ao inverso dessa razão, portanto resultando: f I 2 / 3 (3.9)

75 III CAPÍTULO A aplicabilidade dos mapas de Ashby Segundo Callister (2007), torna-se necessário analisar os IE de uma variedade de potenciais materiais a serem usados no projecto de um determinado produto. Este processo é acelerado através da utilização de mapas de SM desenvolvidos por Ashby, constituídos por um sistema de coordenadas ortogonais, sendo cada eixo representativo de uma determinada propriedade dos materiais, conforme exemplo da Figura 14. Figura 14 - Mapa de Ashby - Mapa de materiais por relação do módulo de elasticidade com a densidade (CES EduPack, 2008) Os eixos estão em escala logaritmica e geralmente abrangem cinco ordens de grandeza, de modo a incluir as propriedades de todos os materiais. Os mapas de Ashby devem ser utilizados apenas na fase de concepção da SM. Na continuidade do exemplo apresentado no item 3.4.2, Ashby aplicou logaritmo a ambos os lados da Equação 3.9 e obteve a Equação log log log I f 2 2 (3.10) 47

76 III CAPÍTULO Esta expressão traduz-se num conjunto de linhas inclinadas e paralelas, designadas por directrizes de projecto e a cada linha corresponde um IE diferente. Para o mesmo caso do projecto do veio cilíndrico, o mapa a escolher será o que relaciona a resistência com a densidade do material, conforme a Figura 15. Para valores de IE foram incluídos os valores de 10, 30 e 100 (MPa) 2/3 m 3 /Mg. Todos os materiais que se encontram numa dessas linhas irão apresentar igual e bom desempenho em termos de resistência versus massa; materiais localizados acima de uma linha em particular terão um IE mais elevado, enquanto aqueles que se situam abaixo irão apresentar piores performances. Figura 15 - Mapa de Ashby - Mapa de materiais por relação da resistência com a densidade (Ashby, 1992) O processo de SM no projecto do veio cilíndrico envolve uma escolha de uma das linhas, que incluirá um subconjunto de materiais. Em forma de exemplo, o estudo vai-se focalizar num IE igual a 10 (MPa) 2/3 m 3 /Mg (Figura 16). Os materiais ao longo dessa linha ou 48

77 III CAPÍTULO acima dela estão localizados numa região do mapa de possíveis candidatos a utilizar no projecto. Figura 16 - Mapa de Ashby - Materiais candidatos para um IE igual a 10 (MPa) 2/3 m 3 /Mg (Ashby, 1992) Analisando a Figura 16, a selecção recairá sobre a madeira, alguns polímeros, algumas ligas de engenharia, compósitos de engenharia, vidros e cerâmicos técnicos. Contudo, pode-se desde já, excluir os cerâmicos, em virtude da sua baixa resiliência. Impondo uma resistência no veio, igual ou superior a 350 MPa, como uma restrição adicional, a região de selecção diminui (Figura 17), passando a possíveis candidatos, os aços, ligas de titânio, ligas de alumínio de alta resistência e os compósitos. 49

78 III CAPÍTULO Figura 17 - Mapa de Ashby - Materiais candidatos para um IE igual a 10 (MPa) 2/3 m 3 /Mg e resistência igual ou superior a 350 MPa (Ashby, 1992) Estão criadas as condições de avaliar e comparar o desempenho dos materiais em termos de resistência. A Tabela 1 apresenta a densidade, a resistência e o IE para três ligas de engenharia e dois compósitos eleitos como candidatos aceitáveis através da análise do mapa de SM. Uma vez que a resistência à torção é o objectivo de análise e simultaneamente é difícil de ser apresentada em virtude da sua disponibilidade dos esforços de torção envolvidos, considerouse a resistência das ligas metálicas 0,6 vezes a tensão de cedência e dos compósitos 0,6 vezes a tensão máxima de tracção. Além disto, para os dois compósitos, presume-se que o reforço faz-se através de fibras de carbono contínuas, alinhadas e enroladas em forma helicoidal a 45 o relativamente ao eixo do veio (Callister, 2007). 50

79 III CAPÍTULO Tabela 1 - Densidade, resistência e índice de eficiência para cinco materiais de engenharia (Callister, 2007) Os cinco materiais são classificados em termos do seu IE e conclui-se que o compósito com fibras de carbono apresenta o mais elevado, e o mais baixo corresponde ao aço O custo do material é outro aspecto importante no processo de selecção. Em engenharia, a economia da aplicação é de extrema importância e na hora da selecção, normalmente poderá ditar a escolha do material. Tomando o preço por unidade de massa e sabendo a massa total de material necessário e pelo seu produto, obtém-se o custo dos materiais. A Tabela 2 apresenta as considerações do custo dos cinco materiais candidatos. Tabela 2 - Considerações do custo de cinco materiais de engenharia candidatos (Callister, 2007) O custo relativo (c) resulta da razão entre o custo por unidade de massa do material candidato e o custo por unidade de massa do aço macio, um dos materiais mais usado em engenharia. Existe uma lógica subjacente a esta utilização, em virtude do preço de um material específico poder variar significativamente ao longo do tempo, enquanto a relação entre esse preço e outro vai, provavelmente, tornar a alteração relativa muito mais lenta. 51

80 III CAPÍTULO O produto apresentado na coluna mais à direita da Tabela 2, oferece uma excelente comparação entre os materiais, tendo por base o seu custo para um veio cilíndrico que não fractura quando sujeito a um momento torsor (M t ). O aço 4340 é o mais barato e a liga de titânio a mais cara. É evidente que quando se entre em linha de conta com aspectos económicos, há uma alteração significativa no processo de SM, vejamos o exemplo do compósito com fibras de carbono, que apesar da sua eficiência em termos de resistência, o seu custo não compensa a escolha para o projecto. Para se obter uma decisão final, outros aspectos poderão ser importantes ao desempenho do veio cilíndrico, por exemplo, custos de produção, rigidez e o comportamento à fadiga (se o veio gira ou alterna de velocidade e/ou de sentido de rotação). Em relação aos custos de produção, é necessário atender a vários inputs (Figura 18) que têm um custo associado. Figura 18 - Inputs no processo de fabrico associados a um custo (CES EduPack, 2007) 52

81 III CAPÍTULO Em relação à rigidez, a análise de desempenho seria idêntica à apresentada anteriormente. Neste caso e segundo Callister (2007), o IE corresponde a I s que relaciona o módulo de corte (G) com a densidade do material (ρ): I s G (3.11) O mapa de SM adequado (log G versus log ρ) seria utilizado no processo de selecção preliminar. Na fase final, ao decidir sobre o melhor material, pode ser útil construir uma matriz de decisão. Estas contêm os materiais candidatos, os requisitos, as propriedades dos materiais (inclusive o custo) e os factores de proporcionalidade ou pesos. Esses constituem o aspecto mais importante das matrizes e o que apresenta maiores dificuldades na sua definição. 3.5 As simulações computacionais Conforme já abordado no capítulo 2.4, simulações computacionais, em conjunto com a utilização do MEF, muitos dos aspectos referentes à SM, à construção de protótipos virtuais e à realização de testes prévios à execução do projecto têm-se traduzido numa simplificação, diminuição do tempo (Gráfico 4), custos e inevitavelmente, numa maior competitividade industrial. Gráfico 4 - Influência das simulações computacionais no desenvolvimento de produtos (SolidWorks Corporation, n.d.) 53

82 III CAPÍTULO Relativamente a muitos outros softwares, o SolidWorks aliado ao seu pacote de simulação CosmosWorks, sobressai na sua facilidade e flexibilidade de utilização. É fornecido um ambiente de modelagem completo, capaz de conduzir os projectos desde a concepção de ideias à produção, permitindo um exame detalhado do desempenho do produto, originando altos níveis de inovação e produtos mais confiáveis e fáceis de produzir O método dos elementos finitos O MEF é explorado por software na análise computacional e permite simular o comportamento físico de um determinado projecto quando sujeito a circunstâncias específicas de operacionalidade. Permite determinar o comportamento estrutural e garantir que não haverá falha de serviço tanto em condições normais como em situações críticas, por intermédio da determinação da distribuição de tensões (SolidWorks Corporation, 2006). O método divide o modelo contínuo e complexo em elementos geométricos (Figura 19) de forma simples, compartilhando pontos comuns chamados nós. Estes elementos finitos serão tratados simultaneamente, sendo o conjunto designado por malha ou mesh. Figura 19 - Exemplo de um elemento do MEF (CosmosWorks TM, 2003) A divisão por elementos traduz-se numa representação matemática baseada em equações diferenciais, onde por interacções e análises mais ou menos pontuais, gera-se uma malha 3D que cobre e permeia o modelo. 54

83 III CAPÍTULO A aplicabilidade do CosmosWorks O CosmosWorks fundamenta-se na utilização do MEF, onde a resposta a qualquer alteração nas variáveis de um elemento finito é interpolada na resposta nos nós dos elementos adjacentes. Cada nó é descrito por uma quantidade de variáveis dependentes do tipo de análise e do elemento usado. Geralmente, em análises estruturais ou componentes de máquinas, a resposta de um nó é descrita por três variáveis (x, y, z) e três rotações (de x, y e z), definindo os chamados graus de liberdade. O CosmosWorks permite testar o projecto no computador com alto nível de confiabilidade, sendo mesmo semelhante ao conseguido através da aplicação de testes nos protótipos. Este êxito surge na capacidade do software, após a malhagem do projecto e características definidas, permitir estudos em várias vertentes, nomeadamente: Estáticos - calculam as tensões, forças de reacção, deslocamentos, deformações e gera um factor de segurança. O programa encontra os deslocamentos para cada nó e depois calcula as tensões ou deformações e apresenta o resultado em forma de um diagrama de cores (Figura 20). Um projecto falha nas posições onde as tensões excedam um determinado valor (tensão de cedência do material) e/ou apresente um factor de segurança considerado baixo. Figura 20 - Exemplo de estudo (deslocamento) com o CosmosWorks (Neves e Fernandes, 2009) 55

84 III CAPÍTULO Térmicos - calculam temperaturas, gradientes de temperatura e fluxos de calor (convecção, radiação e condução). Evita-se alterações de temperatura anormais através da definição de um termóstato calibrado a uma temperatura máxima e mínima. Optimização - após uma clara definição do objectivo, variáveis de projecto ou geometria e ajustes de comportamento, o estudo de optimização detecta tendências e identifica a melhor solução que se enquadra no funcionamento do projecto. Fadiga - avaliam a vida útil do projecto com base em curvas de tensão versus número de ciclos. Frequência - analisa a frequência de maneira a evitar falhas com origem em tensões elevadas originadas pela ressonância. Testes de queda - avaliam o resultado de submeter o projecto ao choque contra uma superfície rígida, por estabelecimento de uma altura e/ou velocidade adicionada à aceleração da gravidade As ferramentas SolidWorks - CosmosWorks Segundo Fialho (2008) o CosmosWorks aliado ao SolidWorks forma uma ferramenta imprescindível aos engenheiros em actividades de concepção mecânica, permitindo o desenvolvimento de novas técnicas, materiais e processos. Tentando mostrar de uma forma clara e simples todo o processo de análise estática de uma peça através de uma malhagem sólida, começa-se por criar um modelo geométrico (Figura 21) com auxílio do SolidWorks. Figura 21 - Um modelo geométrico construído no SolidWorks 56

85 III CAPÍTULO Através do CosmosWorks cria-se o estudo de análise estática, constituído pelas seguintes fases: I. Atribuição de materiais segundo definição de propriedades ou através de uma biblioteca de materiais incluída no software. Neste caso, descritivo, é seleccionado como material o aço AISI 1045 (aço ao carbono: 0,43 a 0,5% C) estirado com 625 MPa de resistência à tracção. II. Aplicação de constrangimentos (Figura 22) de forma a estabilizar o modelo. Figura 22 - Aplicação de constrangimentos ao um modelo geométrico III. Aplicação de carregamentos, com o intuito de proporcionar uma deformação, conforme a ilustração da Figura 23 no caso para uma força de 10 KN. Figura 23 - Aplicação de carregamentos 57

86 III CAPÍTULO IV. Discretização ou malhagem (Figura 24), traduzida por uma divisão de um meio contínuo (modelo) tendo por base o MEF, em que se define as preferências, em termos de tamanho dos elementos e tolerância. De referir que a densidade da malha tem um impacto muito grande na precisão dos resultados. Figura 24 - Malhagem de um modelo segundo as preferências V. Execução do cálculo e visualização dos resultados, fase em que se realiza a análise estática, e no final o CosmosWorks apresentará resultados específicos em termos de tensões (Figura 25), deslocamentos ou deformações (Figura 26), e verificação de design, com apresentação de coeficientes de segurança. Figura 25 - Visualização dos resultados em termos de tensões de Von Mises 58

87 III CAPÍTULO Figura 26 - Visualização dos resultados em termos de deslocamentos Pelo critério de Max Von Mises pode-se verificar o Factor de Segurança (FOS), em que o resultado da tensão máxima (σ r, ruptura) dividido pela tensão de Von Mises (σ vm, tensão de aplicação) deve ser inferior a 1 (Fialho, 2008), conforme a expressão FOS r vm 1 (4.12) Pode-se, então, concluir que o FOS para o estudo em análise é menor que 1, aplicando aquela condição (4.12): FOS ,54 1 (4.13) Com este procedimento, localiza-se facilmente os pontos fracos do projecto em análise. Através do CosmosWorks é possível fazer uma verificação do FOS (Figura 27) resultante da solicitação aplicada. Elevados factores de segurança numa determinada região do modelo indicam a possibilidade de economizar material. 59

88 III CAPÍTULO Figura 27 - Visualização dos resultados para o factor de segurança Desta forma confirma-se que o valor mínimo de FOS é de 0,54, conforme o cálculo (pela relação 4.13). Neste exemplo, é nítido que se terá de alterar os parâmetros (material, dimensões, etc.) de modo a ficar em condição segura relativamente à carga aplicada. Existem diversos códigos de normalização de projectos requerendo como FOS mínimo entre 1,5 e 3,0 para solicitações estáticas e maiores para outros casos (Fialho, 2008). 60

89 IV CAPÍTULO 4 Investigação e estudo sobre os melhoramentos na bicicleta estática 4.1 Introdução O consumidor, cada vez mais, busca uma vida saudável através da utilização de bicicletas estáticas. Por sua vez, a indústria deverá consciencializar-se de que para atender às necessidades do consumidor é preciso investir em pesquisas, desenvolver e projectar produtos amigáveis em design ou em materiais e componentes. O aumento do consumo, traduzido na crescente importância dada pela sociedade, forçará a indústria a renovar-se de modo a atender as novas exigências. Segundo Barbado Villalba (2007) o CI é considerado a mais entusiasmante e intensa actividade das propostas actuais envolvendo a utilização de bicicletas estáticas: Nos últimos anos, uma nova actividade invadiu o mundo do fitness com uma força surpreendente e praticamente sem precedentes. Trata-se do Ciclismo Indoor (CI), uma nova disciplina que obteve uma aceitação muito grande por parte dos utilizadores dos centros de fitness e clubes desportivos em todo o mundo (Barbado Villalba, 2007, p. 7). Não obstante a tendência de crescimento na procura do CI, é notório o défice de informação e estudos referentes a estes equipamentos e muito menos se encontram investigações preocupadas em resolver os problemas de quem os usa ou de quem os disponibiliza à sua prática. Esta constatação vai de encontro ao exposto por Albuquerque (2006, p. 14): A ginástica com bicicletas estáticas vem ganhando um espaço enorme Existe uma carência muito grande de informações, trabalhos, reportagens e até mesmo livros Há que dar uso às diversas ferramentas já apresentadas neste trabalho de uma forma coerente e sustentada nas verdadeiras necessidades e/ou oportunidades inovadoras ainda possíveis, convergentes com as aspirações e desejos do mercado e, sobretudo, dos utilizadores. Nesta ordem de ideias, este capítulo tentará reunir a informação possível e 61

90 IV CAPÍTULO simultaneamente dar respostas a diversas inquietudes e complementar as bases de partida à concepção e desenvolvimento de um equipamento nesta área. De entre várias alternativas de investigação, é dado maior ênfase a inquéritos online a ginásios, a pesquisas bibliográficas e normativas, entrevistas e observações sistemáticas sobre os actuais modelos de bicicletas estáticas. 4.2 Inquérito Objectivos, população, método e questões Os objectivos deste inquérito são: Identificar a quantidade média de bicicletas estáticas usadas pelos inqueridos. Saber quais as marcas mais utilizadas e há quanto tempo. Saber qual a opinião geral da utilização das bicicletas estáticas. Identificar que manutenção é realizada. Descobrir os componentes com maiores problemas. Saber se existem acidentes pessoais provocados pelas bicicletas estáticas. Tentar perceber se os inqueridos têm pretensão de alterações nas suas bicicletas. A população abrangida por este inquérito recai sobre cerca de cento e cinquenta ginásios do Continente e Ilhas, vindo a ser respondido apenas por oito. Esta pequena quantidade de participações presume-se que advém em grande parte da apreensão ao método usado na recolha de dados: foi enviado uma mensagem por correio electrónico, convidando a usar uma hiperligação que dava acesso online (Google docs) ao inquérito. Foram concebidas as seguintes questões: Identifique o seu ginásio. Quantas bicicletas estáticas têm? Que marcas tem? Qual o modelo? Ano de fabrico? Que opinião tem das bicicletas estáticas? Que partes das suas bicicletas requerem maior manutenção? Que necessita fazer em termos de manutenção? Já teve algum problema (dano maior) com alguma? Se sim, diga onde. 62

91 IV CAPÍTULO Se apresentou problemas na questão anterior, descreva-os. Provocou algum acidente pessoal? Se sim, descreva-o. Indique alguma alteração que gostaria de realizar nas bicicletas estáticas. Gostaria de dizer mais alguma coisa? Se sim, diga Análise aos resultados obtidos Do inquérito realizado e mesmo com poucas participações, foi possível chegar a algumas conclusões. O grupo das três primeiras questões, demonstrou que os ginásios têm uma variedade bastante elevada de marcas (True, Hipower, Reebok, Studio Cycle, BH, Dunlop, Kateye, Beat Cycling, Schwinn e Salter) e revela que alguns já usam estes equipamentos há algum tempo (sensivelmente desde 1995) e geralmente em grandes quantidades, conforme é apresentado no Gráfico 5. Gráfico 5 - Quantidade de bicicletas estáticas para uma amostra de ginásios inquiridos 63

92 IV CAPÍTULO Relativamente à pergunta sobre a opinião dos ginásios acerca das bicicletas estáticas, é surpreendente como todos responderam que, no geral, eram um bom elemento de trabalho e alguns realçaram mesmo aspectos particulares, como a sua importância cardiovascular, sendo indispensáveis e, portanto e no geral, uma mais-valia dentro das várias gamas de equipamentos disponíveis. A partir da quinta questão, o inquérito dirigiu-se para a manutenção dos equipamentos, onde foram denunciados os elementos (Gráfico 6), mais sujeitos a esses cuidados e o que na prática era feito nesse sentido. As partes apresentadas no Gráfico 6 como Other referem-se aos feltros 36 de regulação da carga, rolamentos e crenque (ou biela). Gráfico 6 - Componentes de bicicletas estáticas apontados pelos ginásios inquiridos como requerendo maior manutenção Foram especificadas várias actividades de manutenção, nomeadamente: limpeza, lubrificação, mudança de rolamentos e troca pedais. Relativamente à questão que tentava explorar a existência de avarias de maior gravidade, obteve-se os resultados expostos no Gráfico 7. Os elementos definidos por Other referem-se ao transformador, consola electrónica e crenque (ou biela). 36 Tecido feito de lã ou pêlos de animais, cujas fibras são agregadas por calandragem. Dentre os pêlos mais usados estão os de lebre, coelho, carneiro, camelo e castor; (consultado em 15 de Julho de 2010). 64

93 IV CAPÍTULO Gráfico 7 - Avarias de maior gravidade em bicicletas estáticas denunciadas pelos ginásios inquiridos Na oitava questão, foram apresentadas as descrições (Tabela 3) correspondentes aos problemas de maior dano. Tabela 3 - Descrição das partes com maior dano em bicicletas estáticas apontadas pelos ginásios inquiridos A resposta à questão Provocou algum acidente pessoal?, teve consenso na resposta: Não. Para finalizar, das últimas perguntas obteve-se respostas reveladoras de um grande interesse dos inqueridos em terem alterações e melhorias nas bicicletas estáticas que oferecem aos seus praticantes, sendo exemplos: Maior protecção ao suor. Melhor sistema de controlo de carga. Maior facilidade de abertura das protecções plásticas para a limpeza. 65

94 IV CAPÍTULO Ter suporte para garrafa de água. Menos avarias tecnológicas, quando aplicável. Troca por novas. 4.3 Pesquisa bibliográfica e normativa A corrosão estrutural A maior parte dos ginásios têm desejo em renovar as suas bicicletas de Spinning, em virtude do seu estado não ser o melhor, contudo este sintoma poderia ser alterado se houvesse desde a aquisição uma familiarização com os requisitos exigidos por estes equipamentos. Apesar de não requererem uma elevada manutenção, é necessário controlar se todos os elementos estruturais metálicos estão protegidos contra a corrosão originada pelo contacto com o suor. O ideal seria que todos eles fossem fabricados em aço inoxidável (Frobose e Waffenschmidt, 2002). O suor tem na sua constituição teores de Cloreto de Sódio (NaCl) e a presença do ião cloreto é responsável pela corrosão da maioria dos metais, em especial em meio ligeiramente ácido (PH<5). Se a isto juntarmos um ambiente habitualmente húmido e relativamente quente, então temos uma boa parte dos ingredientes para iniciar e acelerar um processo de corrosão (Figura 28). Isto é mais notório em metais ferrosos e nas zonas mais sensíveis, nomeadamente nas soldaduras. 66 Figura 28 - Fotografia de pormenor de uma bicicleta estática com corrosão localizada por origem no suor (amavelmente cedida pelo ginásio Gym City, L.da, 2009)

95 IV CAPÍTULO Num ginásio em que há muitos utilizadores simultâneos em actividade física, a saturação do ar ambiente é maior, mesmo com um sistema de renovação de ar. Assim, o grau de humidade e a temperatura são mais elevados do que num comum escritório. Nestas condições e em presença do suor, os ginásios devem ser considerados, segundo a norma NP EN de 1999, um caso particular de categoria de corrosão atmosférica C5 (semelhante ao ambiente marítimo), pelo que o esquema de pintura deverá ser devidamente analisado (será desenvolvido no item 5.6.2) Abordagem dinâmica - cinemática e cinética Para que um ginasta tenha um bom desempenho por reflexo de uma boa eficiência mecânica durante a prática do ciclismo, deverá atender-se a diversos factores, por exemplo, os ajustes na bicicleta (altura do selim, comprimento da biela, etc.), carga aplicada e a posição adoptada. Certos investigadores em biomecânica 37 procuram entender a relação entre o ginasta e a bicicleta. O ciclismo tem por base um movimento repetitivo e que consiste na rotação completa do eixo do pedal em torno do eixo do centro pedaleiro. A eficiência deste gesto resulta da relação da potência gerada nas articulações (principalmente joelho, tornozelo e quadril) do atleta com a potência fornecida ao pedal. No global, quanto maior for a potência aproveitada, mais eficiente será o ginasta. O estudo da técnica do pedalar leva em consideração a cinemática 38 e a cinética 39 do acto motor, sendo estes aspectos importantes, tanto no desempenho dos ginastas como no projecto das bicicletas. Segundo Gregor (2000), ao fazer-se pesquisas acerca da cinemática do ciclismo, verifica-se que a maioria dos estudiosos destes assuntos considera apenas os movimentos no 37 É o estudo da mecânica dos organismos vivos. 38 Estudo do movimento, sem considerar as forças. 39 Estudo do movimento, considerando as forças. 67

96 IV CAPÍTULO plano sagital 40 dos membros inferiores (Figura 29). Mais recentemente, outros realizaram estudos envolvendo diferentes posições do selim e do guiador. Figura 29 - Característica do movimento do membro inferior ao pedalar, com movimento angular (I) e movimento linear (II), (UFSM et al., 2008) A análise cinética, que leva em consideração as forças geradas pelo organismo e as suas resistências, também é uma área de estudo bastante complexa e trás considerações importantes sobre o acto de pedalar. Vários autores debruçam-se com maior intensidade sobre o estudo das forças actuantes no pedal do que no selim ou no guiador, em virtude de ser aí a maior transmissão de energia pelos membros inferiores. Numa pedalada existem duas fases (Figura 30): potência - de 0 º a 180 º e recuperação - de 180 º a 360 º. Figura 30 - Ciclo esquematizado de uma pedalada 40 Divide o corpo simetricamente, numa parte direita e outra esquerda. 68

97 IV CAPÍTULO Em função do ângulo pedal e no plano sagital (Figura 31), decompõe-se a força resultante (Fr) na normal ou vertical (Fn) e na tangencial ou horizontal (Ft). No mesmo plano e relativamente ao ângulo do crenque, a mesma força resultante (Fr), decompõe-se na força inefectiva (Fi), que não contribui para a rotação da pedaleira e na força efectiva (Fe), que gera um binário propulsivo na pedaleira. Figura 31 - Forças aplicadas no pedal referentes ao plano sagital Segundo Gregor (2000) o máximo da força normal (F n ) é aproximadamente 60% do peso do ginasta. Outros estudos realizados por Gregor, Broker e Ryan (1991) apresentaram valores superiores, cerca de 70% acima do peso do ginasta. No plano sagital pode-se calcular o Índice de Eficiência Propulsivo (IEP) que ajuda a mostrar a eficiência do ginasta na produção do binário propulsivo. Segundo Davis e Hull (1981), IEP corresponde à razão entre a F e e a F r aplicada sobre o pedal (Equação 4.1). IEP F ( ) d e F ( ) d r (4.1) A força resultante (F r ) que o ginasta aplica sobre o pedal varia em direcção e amplitude (Figura 32) durante o ciclo correspondente a uma pedalada. A força efectiva (F e ) apresenta o valor máximo próximo dos 90º, o que em termos de binário propulsivo representa o máximo conseguido no ciclo. 69

98 IV CAPÍTULO Figura 32 - Representação esquemática da variação da força resultante durante uma pedalada (Grappe, 2005) Encontra-se pouca informação acerca de estudos envolvendo as forças actuantes no selim e guiador, contudo alguns estudiosos apontam um máximo de esforço sobre o guiador equivalente a cerca de 64% do peso do ginasta (Gregor, 2000) e segundo Panero e Zelnik (1983), cerca de 75% é suportado pelo selim (26 cm 2 ) quando o ginasta está sentado. As assimetrias acontecem relativamente à produção de binário no par de pedais (esquerdo e direito), sendo muito importante a sua análise, por várias razões, tais como, o modo como as cargas actuam nas articulações, a influência do membro dominante e a prevenção de lesões (Gregor, 2000). Normalmente, as bicicletas estáticas empregues na prática do Spinning, não estão equipadas com qualquer equipamento de medida da potência mecânica (P) produzida na pedalagem. No entanto, segundo Gordon et al. (2006), um dos métodos de cálculo (Equação 4.2) que poderia ser utilizado passaria pela medida da dependência directa com o produto entre o binário exercido pelo ginasta na pedaleira (M p ) e a velocidade angular resultante (w). P M. ww p (4.2) 70

99 IV CAPÍTULO Gordon et al. (2006), referem várias relações que poderão ajudar no cálculo da potência mecânica, nomeadamente: A velocidade angular tem relação directa com o número de rotações por minuto (n), conforme apresentado na Equação 4.3..n w 30 rad s (4.3) Conforme demonstrado na Equação 4.4, o binário na pedaleira depende do produto entre o binário na roda de balanço (Mr) e a relação entre os diâmetros da pedaleira (D) e do pinhão (d). Numa transmissão por corrente, segundo Gordon et al. (2006), existem perdas entre 3 e 5% e são traduzidas pelo rendimento (η). D M M.. p r d Nm (4.4) Por outro lado, o binário na roda de balanço (Equação 4.5), é igual ao produto entre a força de atrito (Fa) e o raio da roda (R). M F. R Nm r a (4.5) A força de atrito, responsável pela travagem mecânica, resultante da acção do calço sobre a roda de balanço, Equação 4.6, corresponde ao produto da carga accionadora do calço (C) pelo coeficiente de atrito dinâmico (μ). Gordon et al. (2006) determinaram o valor de 0,175 para o referido coeficiente de atrito. F a C. N (4.6) O cálculo da potência mecânica (P) produzida na pedalagem através da Equação 4.2 poderá apresentar outro formato (Equação 4.7), quando afectada pelas restantes Equações (4.3, 4.4, 4.5 e 4.6). Pode-se concluir que a potência aumenta com o aumento das outras variáveis, excepto quando existe aumento do diâmetro do pinhão (d). 71

100 IV CAPÍTULO. C.. R. D.. n P 30. d W (4.7) Requisitos normativos É de todo o interesse que na fase de concepção sejam respeitadas as premissas incluídas nas normas referentes aos equipamentos de ginástica estáticos e em específico as que se relacionam com as bicicletas, de modo a que o projecto seja concebido respeitando os requisitos de segurança. Contudo, é mais correcta a aplicação de algumas premissas na fase de protótipo. Segundo a norma NP EN 957-1:2009 (Requisitos gerais de segurança e métodos de ensaio) há a reter os seguintes aspectos: Consideram-se três classes de utilização: S - uso profissional e/ou comercial, H - uso doméstico e I - inclui a classe S incluindo as pessoas com incapacidades. Todas as arestas e cantos devem ser arredondados pelo menos com um raio de 2,5 mm ou estar isentas de rebarbas ou terem uma protecção, e as extremidades dos tubos têm de estar fechadas. O equipamento deve estar munido de um bloqueio de movimento. Os dispositivos de regulação não devem invadir a zona de movimentação do operador. A corrente de transmissão de movimento deve possuir um coeficiente de segurança até seis vezes a tensão máxima a que poderá estar sujeita. As zonas para provável colocação das mãos do operador têm de evitar o respectivo escorregamento. Os operadores devem ser capazes de entrar e sair do equipamento com facilidade. 72

101 IV CAPÍTULO Em complemento à norma anterior, existe a norma NP EN :2009 (Bicicletas de exercício com roda fixa ou sem roda livre, requisitos de segurança adicionais e métodos de ensaio) e devem-se reter os seguintes aspectos: O crenque (ou biela) não deve ter um afastamento das partes fixas inferior a 10 mm. A transmissão tem de estar protegida no respeitante aos utilizadores. O raio das arestas da roda de balanço deve ser pelo menos de 2,5 mm. Para a classe S, o espigão de selim deve resistir sem escorregar mais do que 5 mm quando sujeito a uma carga, escolhida entre a maior das opções: quatro vezes o peso do operador especificado ou 4000 N. O mesmo se deverá cumprir nos crenques e pedais, e, por outro lado, também têm que resistir sem facturar à aplicação de uma força de 750 +/- 10 N por um milhão de ciclos e 25 Hz de frequência máxima. O equipamento nunca deverá cair. A profundidade mínima de inserção do espigão, quer o do selim quer o do guiador, nas suas posições mais altas, devem ser de 55 mm. Essas posições têm de estar assinaladas com uma marca de STOP. O guiador deve resistir sem fracturar ou deformar-se mais do que 10% plasticamente, quando sujeito na posição mais desfavorável a uma carga vertical (maior valor das opções: 1,5 vezes o peso do operador especificado ou 1500 N) e a uma carga horizontal (maior valor das opções: 0,5 vezes o peso do operador especificado ou 500 N). Os pedais devem incluir um sistema de retenção dos pés. O equipamento deverá ter um travão de emergência provido de um accionamento em forma de cogumelo avermelhado. Tal pode ser activado através de uma força de 100 N descendente ou 50 N ascendente. Quando a roda de balanço gira a 120 RPM, o sistema de travagem de emergência tem de ter capacidade de a parar ao fim de uma volta. A distância entre qualquer elemento rígido do pedal e o chão nunca poderá ser inferior a 60 mm. 73

102 IV CAPÍTULO 4.4 Entrevistas e observações sistemáticas Visita a empresa Conforme analisado anteriormente pelo questionário efectuado a vários ginásios e alguma pesquisa bibliográfica, conclui-se que a corrosão pelo suor é um dos assuntos que carece de resolução. Nesse sentido foram realizadas algumas visitas de estudo e pesquisas, nomeadamente a uma empresa fabricante de tintas e três ginásios. O objectivo da visita à empresa (Cin, no Porto) resultou da necessidade em encontrar uma solução para o tratamento superficial a aplicar nas bicicletas estáticas quando construídas à base de materiais ferrosos, de forma a resistirem ao ambiente corrosivo resultante da prática de Spinning. Confrontando o seu departamento técnico com a problemática em causa, de imediato surgiram várias explicações alternativas, algumas muito pertinentes e carentes de outras investigações, sendo as mais relevantes: A corrosão pode não ter origem no suor, mas sim dos detergentes usados na limpeza dos equipamentos pelos detentores dos ginásios.. Os ginásios durante as provas de Spinning poderão utilizar borrifos de água para refrescar os ginastas.. Dos ginásios que visitámos até hoje, não detectámos grandes níveis de oxidação nos equipamentos de ginástica, a não ser algumas manchas na tinta.. Qual será o factor de corrosão atmosférica dos ginásios quando se pratica o Spinning?. A reunião não teve resultados conclusivos imediatos, já que os intervenientes careciam de mais elementos para que pudessem fundamentar um parecer técnico consistente Visita a ginásios A informação que faltava acerca da corrosão, encontrava-se nos ginásios e esse foi o objectivo da visita a três unidades, duas em Águeda (Gym City e Multibody) e uma em Aveiro (Força em Movimento - Fit&Fun). A ferramenta utilizada nesta pesquisa teve por base uma 74

103 IV CAPÍTULO entrevista previamente formatada, incluindo algumas questões para confirmação das efectuadas no questionário e outras abordando o problema em causa: Que produtos de limpeza utiliza? Que teor de humidade denota no seu ginásio? Usa algum tipo de refrescante ambiental (borrifos de água) durante as provas de Spinning? Acha que o suor é um problema para os seus equipamentos de ginástica? Tem manchas na tinta ou oxidação nos equipamentos de ginástica? Os resultados obtidos são resumidos na seguinte Tabela 4. Tabela 4 - Respostas obtidas pelos ginásios entrevistados Analisando os resultados obtidos, conclui-se que os ginásios têm todos a mesma opinião acerca do suor, como sendo um problema extremamente grave para os equipamentos de ginástica e em particular para as bicicletas estáticas utilizadas na prática do Spinning, onde os teores de humidade ambiente tendem a aumentar. Nenhum ginásio utiliza borrifos de água e todos, com a excepção do C, usam a vaselina líquida na limpeza, o que sustenta a ideia do suor como um dos agentes principais na corrosão estrutural. Com o devido consentimento dos ginásios foram presenciadas algumas acções de Spinning e, ainda se obtiveram algumas fotografias (Figura 33) demonstrativas do verdadeiro problema corrosivo presente nos equipamentos. 75

104 IV CAPÍTULO Figura 33 - Fotografias de corrosão nos equipamentos de ginástica provocada pelo suor Visita a lojas desportivas A visita a lojas desportivas no Porto (Sport Zone do Mar Shopping - Ikea) e em Aveiro (Sport Zone - Continente e Decathlon), teve como objectivo observar o que existe em termos de inovações nas bicicletas estáticas, retirar algumas medidas e descobrir o que normalmente procura o consumidor comum. De realçar que não foram detectadas grandes inovações. As bicicletas estáticas são muito semelhantes, têm uma estrutura à base de metais ferrosos, utilizam tubos com secções extremamente elevadas, muito pesadas e protecções e enchimentos plásticos. Encontram-se já algumas propostas para a modalidade do Spinning, algumas com roda livre. Os funcionários das lojas visitadas foram unânimes no que o consumidor deseja, e apresentaram, sobretudo, dois aspectos mais relevantes: Procura de um equipamento resistente, confortável e barato. Aumento crescente na procura de bicicletas estáticas para a prática do Spinning. De entre muitas características apresentadas que definem as bicicletas de CI, falta referir o facto de usualmente não disporem de consola para leituras do tempo, distância, velocidade, frequência cardíaca, potência 41 desenvolvida em watts e número de rotações por 41 É o resultado do produto do momento de travagem (N.m) e a velocidade angular (2.π.n), onde n é a velocidade de pedalagem, em rotações por minuto (NF EN 957-5:1996). 76

105 IV CAPÍTULO minuto (RPM). Normalmente os ginastas tendem a usar somente um relógio monitor de frequência cardíaca (Figura 34) que se encontra facilmente em qualquer loja de desporto. Figura 34 - Relógio (monitor) para leitura da frequência cardíaca Conclusões e bases preliminares à concepção Nesta fase do trabalho e, após a investigação preliminar e estudo exaustivo, conclui-se que existem alguns aspectos a melhorar nas bicicletas estáticas e em particular nas que são utilizadas na prática do Spinning, nomeadamente: Aumentar a resistência à corrosão pelo suor. Incluir e melhorar os componentes. Por exemplo, adicionar um suporte de garrafas de água para que não haja necessidade de serem colocadas no chão e garantir um sistema de regulação de carga mais fiável. Procurar fabricar um produto com boa resistência mecânica, apelativo e economicamente viável e atendendo sempre à melhor selecção das tecnologias e processos de fabrico. Respeitar os requisitos normativos em prol da segurança. Usar todas as ferramentas, normas e técnicas de modo a tornar a fase da concepção mais eficiente e eficaz. Facilitar a manutenção e sempre que possível garantir a mantenabilidade do equipamento. 77

106 IV CAPÍTULO De modo algum, o resultado desta investigação, reúne a totalidade de informação que na verdade poderá ser obtida. Para a sua melhor rentabilização, valorização e fiabilidade técnico-científica, os inquéritos deveriam ter o apoio de profissionais mais especializados nestas matérias, quer na sua forma de realização e de abordagem aos inquiridos, quer no posterior tratamento de dados. Assim como a colaboração e a envolvência de profissionais de reabilitação e de saúde, em virtude da crescente utilização deste tipo de equipamentos no apoio ao diagnóstico, ao prognóstico ou ao tratamento. 78

107 V CAPÍTULO 5 Concepção da bicicleta estática 5.1 Introdução O presente capítulo deste trabalho tem por base a concepção da bicicleta estática aplicada ao Spinning. Numa empresa, o conjunto de actividades que compõem o processo construtivo, destacam-se cada vez mais as relacionadas com a fase da concepção dos produtos, e portanto de projecto, já que se quer uma execução fácil ao nível do fabrico e que satisfaça as exigências dos clientes ao menor custo e controlo (Pires, 1999). A optimização final tende a ser iterativa, sobretudo com a execução, quer por necessidade de alterar algum processo de fabrico quer por resultados de ensaios ao nível de protótipos ou pela auscultação da utilização dada pelo mercado. Neste capítulo tentou-se ser fiel relativamente à importância que envolve a etapa de projecto num processo construtivo, o qual se pretende competitivo, num mercado cada vez mais agressivo. Partiu-se de esboços e de respectivas modelações geométricas tridimensionais, no sentido de optimizar a estrutura atendendo às pesquisas feitas e dados disponíveis. Seguiu-se a atribuição de materiais com recurso aos mapas de Ashby. Posteriormente, aplicaram-se os carregamentos e constrangimentos e finalizou-se com a discretização (ver item 3.5.3, ponto IV) e com uma análise de resultados. Neste processo, foram utilizados o SolidWorks na modelação e o CosmosWorks no cálculo. O CosmosMotion serviu para uma breve análise cinemática. Na valorização dos resultados obtidos e por forma a consolidar o projecto, ainda se empregaram algumas ferramentas para optimização do mesmo, aos níveis da produção e montagem, da mantenabilidade e da confiabilidade, da ergonomia, estética e meio ambiente. 79

108 V CAPÍTULO 5.2 Execução dos modelos geométricos O desenho industrial é uma ferramenta imprescindível na concepção de componentes, equipamentos e sistemas mecânicos. A especificação geométrica estabelece o campo de variações admissíveis de um conjunto de características de um objecto, que lhe permitem desempenhar as suas funções (necessidades funcionais). A utilização do desenho à mão livre corresponde às primeiras fases do desenho, evoluindo para sistemas CAD avançados baseados numa filosofia de representação paramétrica de modelos tridimensionais (3D). O desenho à mão livre ou esboço, é uma ferramenta fundamental nos primeiros estágios do projecto, em que o produto é idealizado e concebido. Neste trabalho, tentou-se, dessa maneira e por estabelecimento de variantes, chegar ao esboço definitivo de uma forma simples, agradável, funcional e de fácil execução (Figura 35). Figura 35 - Esboço final da bicicleta estática a desenvolver O CAD proporciona funções de apoio ao desenho, permitindo, numa primeira fase e entre outros aspectos, verificar a funcionalidade dos produtos, interferências entre eventuais componentes e a cinemática de peças móveis. 80

109 V CAPÍTULO Uma vez idealizado o equipamento, os seus componentes têm de ser desenvolvidos e dimensionados. Os modernos programas de CAD 3D são ferramentas fundamentais para isso. As dimensões iniciais a dar ao projecto tiveram origem em diversas fontes, algumas delas já anteriormente apresentadas (normas, modelos actuais, inquéritos e entrevistas, etc.) e outras são adicionadas de forma a complementar e melhorar o projecto. Dreyfuss (1966) recomenda as melhores posturas (antropométricas) e dimensões (biomecânicas) das bicicletas tradicionais e aerodinâmicas (Figura 36). Alguns destes aspectos foram utilizados como complementos de referência na execução deste trabalho. Figura 36 - As melhores posturas e dimensões das bicicletas tradicionais e aerodinâmicas (Dreyfuss, 1966) A modelação tridimensional dos componentes (usualmente designados neste domínio por parts) que integram um dado conjunto é o primeiro passo na modelação do mesmo. Os programas de modelação usuais estão equipados com várias ferramentas necessárias à geração 3D das peças a integrar posteriormente num mecanismo. 81

110 V CAPÍTULO O SolidWorks foi o programa eleito na modelação geométrica deste projecto. Os componentes foram criteriosamente desenhados, modelados e montados. Inicialmente a ideia subjacente ao projecto fundamentou-se nas capacidades tecnológicas e materiais que normalmente usam as empresas dedicadas ao fabrico deste tipo de equipamentos. Actualmente ainda se utilizam os materiais ferrosos de secção tubular, devidamente maquinados, soldados e pintados. Neste fluxo de conhecimentos, foi concebida uma bicicleta estática (modelo da Figura 37), por respeitante esboço prévio, que pretendia englobar algumas novidades que respondessem às necessidades do mercado. Figura 37 - Modelo final da bicicleta estática por projecto executado no SolidWorks tendo por base a construção soldada A escolha dos tubos teve por referência as normas EN e EN , a selecção da transmissão por corrente simples baseou-se na DIN ISO e as rodas de tracção foram escolhidas atendendo ao catálogo de um fabricante (Mecanarte 44 ). 42 (consultado em 9 de Maio de 2010). 43 (consultado em 9 de Maio de 2010). 44 (consultado em 10 de Maio de 2010). 82

111 V CAPÍTULO O fabrico de uma bicicleta baseada na construção soldada requer meios produtivos muito onerosos, por exemplo, máquinas de CNC, de corte do tubo, robôs de soldadura e equipamentos de pintura. Fica subjacente um acrescido dispêndio de mão-de-obra. Na perspectiva de afastamento da construção soldada, investiu-se e elegeu-se outra solução que, no geral, se apresentava agradável, fácil de produzir, com novos materiais e resistente à corrosão; simultaneamente, procurou-se, à partida, um design inovador (modelo da Figura 38, o correspondente ao dito esboço final da Figura 35 e apresentado em desenho técnico no Anexo 8.1). Figura 38 - Modelo final da bicicleta estática por projecto executado no SolidWorks tendo por base a construção injectada ou conformada Os conjuntos anteriores resultaram dum trabalho exaustivo, fundamentado na pesquisa bibliográfica e do meio (ginásios e sector comercial) e no estudo, e reflectido no rigor do desenho com a modelagem dos seus diversos componentes (Figura 39). 83

112 V CAPÍTULO Figura 39 - Alguns dos componentes da bicicleta estática a desenvolver modelados através do SolidWorks O sistema de carga e travagem de emergência juntamente com o suporte para garrafas de água (Figura 40), além de responderem a algumas das aspirações recolhidas nos utentes (resultado da investigação apresentada no Cap. 4), também reúnem e adicionam pormenores inovadores ao projecto. 84

113 V CAPÍTULO Figura 40 - Destaque de alguns aspectos inovadores da bicicleta estática: I - suporte de garrafas de água e II - sistema de carga e travagem de emergência 5.3 Selecção de materiais Introdução Como já referido na pesquisa bibliográfica a propósito de recursos de SM, Ashby, um professor de Cambridge, desenvolveu um poderoso método sistemático baseado em mapas de SM: exibem dados de várias propriedades, para uma grande quantidade de famílias e classes de materiais. Este método também tem sido implementado através de um software designado por Ces Edupack, que torna o processo de SM muito mais rápido. A aplicação dos mapas de Ashby, tratando-se de uma ferramenta com ampla visão na SM, visando um desempenho de excelência e propiciando uma extraordinária ajuda na tomada de decisão para quem projecta, constituiu-se como primordial no presente projecto. Tendo por base essa metodologia e após o dimensionamento e modelagem dos componentes referentes a este trabalho, efectuou-se a SM da estrutura principal da bicicleta (Figura 41), já que depende dela a necessária estabilidade do equipamento. 85

114 V CAPÍTULO Figura 41 - Dimensões da estrutura principal da bicicleta estática a desenvolver Características principais - requisitos - para os componentes A aplicabilidade e o ambiente envolvente à bicicleta estática, requereu uma abordagem a algumas propriedades dos materiais. Nesse sentido, para listagem das mais importantes associadas ao presente projecto, passou por se eleger a resistência mecânica, dureza, peso, custo e a resistência à corrosão (por simplificação, será devidamente tratada no item 5.6.2). 86

115 V CAPÍTULO Perante a necessidade de se proceder a uma SM, assim como a escolha do processo de fabrico mais apropriado, resultou numa imposição inicial de alguns requisitos, nomeadamente: Resistência mecânica 75 MPa. Dureza 175 MPa. Custo do material utilizado 45 <135,00. Densidade baixa <3 g/cm 3. A eleição dos requisitos anteriores justificam-se, sobretudo, pelo seguinte: a resistência mecânica por ser um componente estrutural e com utilização humana directa, a dureza pela necessidade de se garantir resistência ao desgaste devido à extrema utilização, o peso e custo maioritariamente pela melhor mobilidade e competitividade comercial geral. Os valores indicados nas condições tiveram algum carácter subjectivo, contudo, antes disso, utilizaram-se as ferramentas possíveis, nomeadamente: consultas na internet (preços das bicicletas actuais), CosmosWorks (para algumas simulações prévias), contactos técnicos, etc.. A importância do estudo sobre a resistência à corrosão advém pelo constatado em alguns casos práticos de respectiva degradação nos equipamentos Identificação dos materiais candidatos Atendendo aos grandes esforços a que o componente (estrutura principal da bicicleta estática) está sujeito, considerou-se a resistência mecânica 46 como o parâmetro a maximizar. Por outro lado, convém eleger a densidade como o item a minimizar, para que não se obtenha uma estrutura com peso muito elevado, por razões de transporte e questões económicas. 45 Custo em matéria-prima: de massa (kg) para o volume total da estrutura (5493 cm 3 ). 46 Durante a utilização (o funcionar de uma peça), interessa saber qual a sua capacidade para suportar a deformação ou rotura - a resistência. Do ponto de vista do fabrico de uma peça por um processo de conformação metálica do material, interessa mais saber a aptidão do material para ser deformado plasticamente sem fracturar - a ductilidade. A resistência mecânica não depende só do material mas dum critério específico estipulado ou imposto (dentro de determinadas condições) por exemplo a resistência elástica (tensão de cedência, normalmente a mais usada, a resistência à carga máxima, a resistência à rotura, etc.). Agora ductilidade e tenacidade já dependem só do material. 87

116 V CAPÍTULO Em função das considerações anteriores e analisando a Tabela 5, encontrou-se o IE. Tabela 5 - Definição do IE para o caso em estudo (Ashby, 1992) 88 Gráfico 8 - Mapa de materiais por relação da resistência com a densidade (Ashby, 1992)

117 V CAPÍTULO Após averiguação pelo Gráfico 8, que dispõe as propriedades analisadas segundo o IE retirado da Tabela 5, chegou-se a alguns possíveis materiais candidatos 47 : Ligas de alumínio (356.0-T6 48 e , segundo normas ANSI 50 e AA 51, respectivamente). Polímeros de engenharia (Poliamidas Nylon 6.6, KETRON PEEK 1000 e TECHTRON HPV PPS). Compósitos (Celeron e TERVID EP 155 F). Nesta primeira escolha de materiais, excluíram-se algumas famílias, pelas seguintes razões: Aços - evitar a construção soldada, ganhar na inovação e um afastamento dos materiais ferrosos em virtude da corrosão. Ligas de magnésio - pela limitada resistência à corrosão e por serem muito caras. Ligas de titânio - apesar de competir com o alumínio, estas ligas são muito caras e exigem técnicas de fabrico especiais (sobretudo por serem difíceis de fundir). Ligas de níquel - extremamente caras. Cerâmicos - baixa resiliência (e fragilidade). Definidos os materiais candidatos e sabendo que o volume da estrutura corresponde a 5493 cm 3 (SolidWorks), permitiu caracterizar algumas propriedades (Tabela 6), com a ressalva de que algumas baseiam-se em aproximações, motivadas pela carência de dados experimentados e divulgados. 47 Os polímeros de engenharia e os compósitos tiveram como referencia os materiais tabelados pela LANEMA, (consultado em 28 de Maio de 2010). 48 T6 - Solubilizada e envelhecida artificialmente (tratamento térmico). 49 Aponta-se para que 90% das ligas 3xx.x são utilizadas no fabrico de componentes por fundição. 50 American National Standards Institute. 51 Aluminum Association. 89

118 V CAPÍTULO Tabela 6 - Algumas propriedades dos materiais candidatos O KETRON é um polímero de engenharia semicristalino, de alta performance e obtém-se a partir da resina de polieteretercetona (PEEK - termoplástico). O TECHTRON é outro polímero de engenharia, sendo uma solução mais económica. O Celeron é um termolaminado, ou seja, um composto obtido da combinação de tecidos de algodão, impregnados com resinas sintéticas (fenólicas), laminados a altas pressões e temperaturas. O TERVID é outro termolaminado, em que o reforço é conseguido através da adição de fibras de vidro, em substituição do algodão Os processos de fabrico Para os materiais candidatos, é importante encontrar o processo de fabrico mais adequado. Isso foi conseguido através da análise de quatro gráficos correspondentes aos atributos do processo e caracterizados por vários itens do projecto em estudo: 1. Dureza e a temperatura de fusão Em função da dureza e da temperatura de fusão dos materiais candidatos (Tabela 6), traçaram-se as linhas correspondentes sobre o Gráfico 9 e obtiveram-se os possíveis processos de fabrico (Tabela 7). 90

119 V CAPÍTULO Gráfico 9 - Mapa de processos por relação da dureza com a temperatura de fusão (Ashby, 1992) Tabela 7 - Materiais e processos candidatos por relação da dureza com a temperatura de fusão 91

120 V CAPÍTULO 2. Tamanho - área da superfície - e a espessura mínima Tendo em atenção a espessura mínima e a área da estrutura, respectivamente 2 mm e 0,75 m 2 (SolidWorks), estas foram representadas no Gráfico 10. Gráfico 10 - Mapa de processos por relação da área da superfície com a espessura mínima (Ashby, 1992) Da intersecção das duas linhas, obtiveram-se os seguintes processos: Conformação polimérica. Trabalho a frio Complexidade e a massa do material A complexidade refere-se à quantidade de informação (Bits) da estrutura e obtémse pela seguinte forma (Ashby, 1992): l C' n'log 2 l Bits (5.1)

121 V CAPÍTULO onde: n' = Número de dimensões da estrutura. l = Dimensão média geométrica = (l 1 +l 2 + +l n ) 1/n. l = Precisão média geométrica = ( l 1 + l l 1/n n ). Para o caso em estudo (Figura 41), assumiram-se as seguintes dimensões e cálculos: Dimensões (mm) principais agregadas a algumas simplificações: Diâmetro exterior da fixação dos pés Diâmetro interior da fixação dos pés Comprimento da fixação dos pés Diâmetro exterior do centro pedaleiro Diâmetro interior do centro pedaleiro Comprimento do centro pedaleiro Diâmetro corpo central da estrutura Comprimento da ligação estrutural ao pé traseiro Comprimento estrutural do suporte de selim Comprimento da ligação estrutural à colocação do guiador Comprimento estrutural suporte do guiador Comprimento da ligação estrutural ao pé dianteiro Espessura estrutural Espessura das ligações estruturais ao pé dianteiro Largura do suporte de selim Largura ligação estrutural à colocação do guiador Largura do suporte de guiador Largura das ligações estruturais ao pé dianteiro Largura ligação estrutural ligação estrutural ao pé traseiro Cálculos: l =[25x23x150x150x45x39x68x346x206x162x433x144x707x707x3 0x20x20x73x69x73x57x57x41] 1/19 = 220,21 mm 93

122 V CAPÍTULO l =[0,3x0,4x0,5x0,4] 1/19 = 0,82 mm 220,21 log ( ) ,21 0,82 C' 19log , 3Bits 2 0,82 log (2) 10 Utilizando o valor mínimo e máximo das massas correspondentes aos materiais candidatos, apresentadas na Tabela 6 e o valor da complexidade calculado anteriormente, marcaram-se as linhas respectivas sobre o Gráfico 11. Gráfico 11 - Mapa de processos por relação da complexidade com o tamanho ou massa (Ashby, 1992) Da análise do Gráfico 11, obtiveram-se os seguintes processos: Fundição por injecção. Fundição por cera perdida. Fundição em molde de areia. Fabricação de compósitos. 94

123 V CAPÍTULO 4. Tolerância e a rugosidade da superfície Conhecendo-se (pela Figura 41) os valores mínimo e máximo da tolerância, calculou-se a respectiva amplitude: Amplitude de tolerância = Tolerância máxima Tolerância mínima = 0,5-0,3 = 0,2 mm A menor rugosidade superficial, corresponderá às zonas do projecto em que foram impostas tolerâncias apertadas e o processo a utilizar nesse sentido, será por certo, a rectificação. Tabelas usuais de rugosidades versus processos de fabrico, indicam para a rectificação uma rugosidade média (Ra), na ordem dos 0,2 μm e a rugosidade quadrática média (Rq) corresponde a cerca de 0,23, porque Rq 1,11 a 1,25 de Ra (Palma, 2006). Foram assinaladas as linhas correspondentes à amplitude de tolerância e ao menor valor de Rq requerida ao projecto, sobre o Gráfico 12. Gráfico 12 - Mapa de processos por relação da amplitude da tolerância com a rugosidade (Ashby, 1992) 95

124 V CAPÍTULO Desta representação resultaram os seguintes processos candidatos: Rectificação. Maquinação Os custos dos materiais A recolha de dados válidos para o custo dos materiais (C m ) é uma tarefa extremamente difícil, o que justifica a escassez deste género de informações. Razões para este facto derivam de vários aspectos, dos quais esse preço depende, nomeadamente: Preços a três níveis: fabricante, distribuidor e mercado final. Cada fabricante ter o seu esquema de preços. Quantidade de material adquirido e processamento. Variação ao longo do tempo. Numa fase mais avançada na decisão da SM, deve-se atender ao custo de fabrico (C f, Ashby, 1992): Cf mc m Cc n' C L n (5.2) Onde: m - Massa em kg de cada peça. C m - Custo do material por kg. C c - Custo da instalação necessária ao fabrico. n' - Número de peças por fornada. n - Número de peças produzidas por minuto. C L - Custo da mão-de-obra por minuto. Neste trabalho, a SM baseou-se no termo mc m. Através de várias solicitações (fabricantes e distribuidores) e pesquisas (Apêndice C do Callister, 2001), conseguiu-se o custo do componente em relação ao material usado (Tabela 8). Contudo, fica a ressalva de que os valores recolhidos possam englobar alguns custos de transformação, e que se trata de uma 96

125 V CAPÍTULO média para essas várias fontes de informações de preços. Apenas numa encomenda a firmar com certo fabricante ou distribuidor, seria acertada a cotação final. Tabela 8 - Materiais candidatos e custo em matéria-prima Os factores de importância Adicionada a informação do preço às restantes propriedades dos materiais propostos, devidamente expostos na Tabela 6 e, atendendo que a resistência mecânica é o requisito a maximizar, reuniram-se as condições necessárias à construção do quadro representado na Tabela 9. Esta Tabela representa os factores de importância de uma forma subjectiva, em termos comparativos entre os requisitos. Tabela 9 - Quadro de factores de importância 97

126 V CAPÍTULO A construção dessa Tabela 9 baseou-se nos seguintes aspectos: Para cada coluna de relações deram-se as correspondentes importâncias, por exemplo, em σ f /H apontou-se 80% para a σ f e 20% para H. A coluna da importância resultou da divisão entre o menor e o maior valor em cada razão das relações de importância. A coluna da importância normalizada (relativa) resultou da divisão entre o valor da importância de cada propriedade e da total Comparação entre os materiais Nesta fase do estudo, tornou-se importante efectuar uma comparação entre os materiais e, respondendo a esse objectivo, construiu-se o quadro representado na Tabela 10. Tabela 10 - Quadro de comparação entre os materiais candidatos por propriedades a maximizar e a minimizar A construção da Tabela 10 atendeu ao seguinte: Para cada propriedade e analisada a Tabela 6 e adicionados os preços encontrados para os materiais, atribuiu-se o valor de uma unidade, ao material que responderá em função do requisito do projecto, à maximização ou minimização e, aos restantes a razão entre o valor da propriedade e o maximizado ou minimizado. 98

127 V CAPÍTULO Matriz de decisão - escolha do material Depois de se quantificar a relação entre as propriedades dos materiais e os requisitos exigidos pelo componente para a aplicação em causa, foi necessário criar uma matriz de decisão (Tabela 11) de modo a se poder identificar o melhor material. Nesta matriz foram introduzidos os factores ponderais determinados para a importância dos atributos e para os valores das propriedades dos materiais em análise. Tabela 11 - Matriz de decisão para os materiais candidatos Para finalizar a SM, restou escolher os materiais. Essa escolha, além de usar a Tabela 11, também respeitou os requisitos impostos no inicio deste procedimento e outros aspectos adjacentes de inegável importância. 99

128 V CAPÍTULO Atendendo aos requisitos iniciais, concluiu-se o seguinte: Os materiais KETRON PEEK , TECHTRON HPV PPS e TERVID EP 155 F são extremamente onerosos (Tabela 8) e não atendem à condição inicialmente imposta (preço <135,00 ). Pela análise da Tabela 6, concluiu-se que o Nylon 6.6 não cumpriu as condições para a resistência mecânica ( 75 MPa) e dureza ( 175 MPa). Não obstante a liga de alumínio apresentar um preço (140,60 ) sensivelmente superior ao valor inicialmente imposto (< 135,00 ), podia-se considerá-la uma opção aceitável, já que através da Tabela 9 verificou-se que a relação σ f / apontou para uma maior importância da resistência mecânica (70%) relativamente ao custo (30%) e após a análise do Gráfico 11, onde uma das fundições indicada foi a injectada (alta pressão) o que é recomendável à liga Contudo, devido à presença significativa de ferro e às inclusões de óxidos e eventuais vazios ou bolsas de ar, as peças produzidas por esse processo não devem ser utilizadas, quando sujeitas a grandes esforços. Além disso, o custo das ferramentas (cerca de ,00 ) e equipamentos (cerca de ,00 ) torna proibitiva a sua aplicação em séries inferiores a unidades (informação técnica, amavelmente cedida por vários fornecedores de equipamentos da especialidade). Analisada a matriz de decisão e após as conclusões anteriores, constatou-se: O melhor material é o Celeron. Não obstante a escolha anterior, será viável o uso da liga de alumínio T6. Esta liga é recomendada para a fundição em molde de areia e este processo de fabrico foi um dos candidatos após a consulta do Gráfico 11. Nesta ordem de ideias, a liga reúne condições suficientes na aplicação ao componente (estrutura principal da bicicleta estática) em estudo e projecto. Este trabalho dá preferência aos materiais anteriores, mas na prática, com algumas reservas, poder-se-á utilizar a liga de alumínio

129 V CAPÍTULO 5.4 Movimentos, restrições e cargas Realizada a SM, utilizou-se o CosmosMotion de modo a verificar a boa funcionalidade cinemática da bicicleta (Figura 42). Definiu-se um motor rotativo horário (100 RPM) no eixo pedaleiro através da barra de ferramentas do MotionManager. Resultou, num movimento sem qualquer interferência de todos os componentes constituintes e dependentes da transmissão por corrente. Figura 42 - Análise cinemática da estrutura da bicicleta estática com recurso ao CosmosMotion Em seguida usou-se o CosmosWorks de forma a realizar a análise estática da estrutura principal, tendo por objectivo a confirmação ou verificação do dimensionamento prévio e a resistência resultante da SM. Para os dois principais materiais eleitos (termolaminado Celeron e liga de alumínio T6), definiu-se um estudo estático de malha sólida na árvore do CosmosWorks Manager e depois, acedeu-se à área de fontes dos materiais onde, os mesmos, foram devidamente aplicados (Figura 43 e 44). 101

130 V CAPÍTULO Figura 43 - Aplicação da liga de alumínio T6, utilizando a biblioteca de materiais do CosmosWorks Figura 44 - Aplicação e definição do Celeron no CosmosWorks Numa fase posterior, aplicaram-se os constrangimentos e os carregamentos de maneira a definirem o ambiente de trabalho para as simulações do modelo. Os constrangimentos estabilizam o modelo e neste caso foi seleccionado a restrição Fixed (Figura 45), definida como um suporte rígido em que todos os graus de liberdade de translação e rotação ficam constrangidos. 102

131 V CAPÍTULO Figura 45 - Apresentação das restrições à estrutura da bicicleta estática no CosmosWorks Para que houvesse alguma deformação no modelo, tornou-se necessário aplicar cargas (Figura 46) onde algumas delas já foram especificadas no capítulo 4, sendo assumido que a estrutura recebe maior carga quando o ginasta está sentado e que pequenas simplificações não afectam a análise pretendida. Figura 46 - Representação simplificada das cargas máximas aplicadas à estrutura da bicicleta estática no CosmosWorks 103

132 V CAPÍTULO Foram considerados alguns valores de base, máximos ou admissíveis: peso do ginasta de 100 kg e da roda de balanço de 22 kg. Para a carga e força de atrito, foi utilizado o método de cálculo exposto no item e as cotas apresentadas na Figura 47. Figura 47 - Dimensões de referência da transmissão da bicicleta estática Cálculo da força de atrito e carga em condições extremas: Força máxima efectiva (a 90º) no pedal (para 60% do peso do ginasta) => 600 N. Binário máximo na pedaleira: (600x0,175) => 105 Nm. Binário máximo na roda de balanço, Equação 4.4 em ordem ao Mr e 95% de eficiência na transmissão: [ (80x105x0,95) /210 ] => 38 Nm. Força de atrito máxima, Equação 4.5 em ordem à Fa: (38/0,224) => 169,6 N. Carga máxima, Equação 4.6 em ordem a C e μ = 0,175: (178,57/0,175) => 969,4 N. Pelo exposto anteriormente, na árvore do CosmosWorks Manager, ao accionar o ícone Load/Restraint seleccionaram-se e definiram-se as forças (Figura 48). 104

133 V CAPÍTULO Figura 48 - Distribuição das forças na estrutura da bicicleta estática no CosmosWorks 5.5 Estudo das tensões, deslocamentos e factores de segurança O resultado da análise depende directamente dos constrangimentos e carregamentos. Para se iniciar, houve necessidade de criar uma malha para a discretização do modelo, i.e., a divisão do componente a estudar em elementos finitos. No software definiu-se a densidade da malhagem, caracterizada pelo tamanho do elemento e tolerância, tendo em consideração que quanto maior é a discretização mais elevada a precisão dos resultados finais. Definidas as preferências e aplicado o controlo de malhagem em algumas regiões, obteve-se o modelo discretizado (Figura 49), em que o número e tamanho dos elementos garantiram a precisão necessária. 105

134 V CAPÍTULO Figura 49 - Discretização no CosmosWorks do modelo da estrutura da bicicleta estática Depois de executado o cálculo, foram analisados os resultados respeitantes às tensões e deslocamentos obtidos. A distribuição das tensões do modelo foi realizada segundo a teoria de Von Mises: especifica que o trabalho mecânico realizado por uma determinada carga é transformado em energia de deformação, induzindo uma alteração de volume e forma. Analisada a escala de tensões e tendo em consideração a tensão de cedência dos materiais especificados, concluiu-se facilmente que o modelo fabricado com a liga T6 não tem problemas de resistência mecânica, já que as zonas de máxima tensão são inferiores à tensão de cedência (Figura 50-a). Pelo contrário, o Celeron não tem resistência suficiente em determinadas zonas (Figura 50-b e 51), carecendo de algumas mudanças dimensionais de modo a poder ser utilizado com total segurança. 106

135 V CAPÍTULO Figura 50 - Distribuição de tensões no CosmosWorks para os materiais eleitos para a estrutura da bicicleta estática: a) liga de alumínio T6 e b) Celeron Figura 51 - Pormenor gráfico do CosmosWorks do valor das tensões na zona mais solicitada da estrutura da bicicleta estática para o Celeron A visualização e análise dos deslocamentos nodais da malha ao longo do modelo, resultou na confirmação de que o maior deslocamento surge nas patilhas de fixação da roda de balanço (Figura 52-a e b). 107

136 V CAPÍTULO Figura 52 - Deslocamentos nodais no CosmosWorks para os materiais eleitos para a estrutura da bicicleta estática: a) liga de alumínio T6 e b) Celeron Também foi possível realizar uma verificação do Factor de Segurança (FOS) em cada nó, tendo por base critérios de falha (Figura 53-a e b). Figura 53 - Factor de segurança no CosmosWorks para os materiais eleitos para a estrutura da bicicleta estática: a) liga de alumínio T6 e b) Celeron 108

137 V CAPÍTULO Analisada a distribuição do FOS para o componente, atendendo os dois materiais eleitos, concluiu-se o seguinte: A liga de alumínio T6, ao apresentar um FOS mínimo igual a 3, reuniu boas condições de resistência. De alguma forma, até conveio um valor superior à unidade, já que esta estrutura está sujeita a cargas intermitentes e, por precaução, poderá ter de resistir a cargas acidentais. O termolaminado Celeron, apresentou um FOS mínimo de 0,84, inferior à unidade em regiões limitadas e pequenas (Figura 54). A colocação de um reforço na parte inferior das patilhas de fixação da roda de balanço, certamente evitará a deformação plástica ou a provável rotura. Figura 54 - Zona especificada de FOS (0,84 < FOS < 1) no CosmosWorks para o Celeron como material da estrutura da bicicleta estática Determinadas regiões apresentaram grandes valores de FOS, as quais poderiam indicar procedimentos de economia do material, contudo, não se optou por essa medida numa perspectiva de salvaguarda do design inicial e a possibilidade de se aumentar o peso máximo recomendado por utilizador, i.e., acima dos 100 kg conforme inicialmente se estipulou. 109

138 V CAPÍTULO 5.6 Recomendações de detalhamento do projecto Produção e montagem O DFMA 52 ajuda a tornar compatíveis os sistemas de produção e montagem, de modo a reduzir os tempos e custos, sem perdas ao nível da qualidade. Para isso, deve-se atender a alguns objectivos, nomeadamente: Encontrar a melhor utilização, sem problemas, dos materiais e equipamentos de produção e montagem. Aumentar a simplicidade da produção e montagem. Criar harmonia entre o projecto, SM e processos de produção. Ao nível do projecto, recomenda-se: Diminuição de partes constituintes. Emprego de materiais acessíveis e fáceis de processar. Evitar tolerâncias muito justas. Redução de operações secundárias, por exemplo, acabamentos e inspecções. Evitar arestas afiadas e dar prioridade a redondos. Promover um projecto compatível com uma produção económica. Contar com a cooperação dos colaboradores da produção. Ao nível produtivo, recomenda-se: A selecção da tecnologia e materiais devem ser adaptadas à estratégia do produto. O fluxo produtivo, deve assegurar uma produção eficiente, flexível, sem problemas e visando a melhoria contínua. Deve-se promover a redução dos tempos e custos de produção e um aumento da qualidade. 52 Design for Manufacturing and Assembly (Projecto para a Produção e Montagem). 110

139 V CAPÍTULO Quando surge o momento de aquisição dos equipamentos necessários ao fabrico de uma bicicleta estática, muitos aspectos terão de ser considerados e ponderados, tendo normalmente os seguintes objectivos: Melhoria na qualidade obtida. Maior rapidez na produção. Aumento da produção do equipamento. Redução dos custos da mão-de-obra. Em suma: maior competitividade. Quando a opção, passa pelo fabrico tradicional, baseado na construção soldada de perfis tubulares, conseguem-se atingir bons níveis de eficiência se o investimento se focalizar nos seguintes equipamentos: Cortes de tubo a laser (Figura 55) - Com o laser podem-se obter furos e contornos difíceis numa única operação, levando a custos operacionais substancialmente baixos. Figura 55 - Máquina de cortar tubo a laser (TRUMPF 53 ) Furação e conformação térmica (Figura 56) - Combinando elevada rotação e pressão consegue-se furar e extrudir materiais até 12 mm sem levantamento de aparas, obtendo-se alta resistência mecânica a um custo reduzido. Numa fase posterior, existe a possibilidade de abertura de roscas por conformação. 53 (consultado em 12 de Junho de 2010). 111

140 V CAPÍTULO Figura 56 - Furação e conformação térmica (THERMDRILL 54 ) Soldadura robotizada (Figura 57) - Através do design dos robôs mais recentes consegue-se uma combinação e sincronia de movimentos, permitindo o desenvolvimento de excelentes sistemas de soldadura num reduzido espaço, o que permite melhorar a qualidade da produção através do aumento de competitividade e ainda da qualidade final dos produtos. Além disso, pode conseguir-se assegurar uma repetibilidade da qualidade, que mais dificilmente é garantido por um sistema não automatizado. Figura 57 - Soldadura robotizada (YASKAWA - Motoman 55 ) Pintura robotizada (Figura 58) - A aplicação de tinta é realizada a elevada velocidade e de uma forma consistente, fornecendo uma melhor qualidade de pintura e consecutivamente uma poupança enorme e um ganho na competitividade. 54 (consultado em 13 de Junho de 2010). 55 (consultado em 13 de Junho de 2010). 112

141 V CAPÍTULO Além destas vantagens, consegue-se anular os efeitos nefastos que os produtos utilizados na pintura produzem no ser humano aquando da sua realização. Figura 58 - Pintura robotizada (YASKAWA - Motoman ) Quando o investimento envolve valores insuportáveis e de difícil amortização, a subcontratação torna-se uma opção viável. Actualmente, a este nível, o mercado vem dando respostas aceitáveis. Se a opção a fabricar, resulta numa bicicleta semelhante à que este trabalho elegeu e desenvolveu, certamente os equipamentos seriam menos onerosos e passariam pelas seguintes recomendações: Tendo por base a liga de alumínio T6 (0,25% Cu, 0,32% Mg, 0,35% Mn, 7% Si, 0,6% Fe, 0,10% Zn) Esta liga é indicada para a fundição em molde de areia ou molde permanente (gravidade ou baixa pressão), mas a fundição em molde de areia (a verde ou aglomerados com resinas ou silicatos) foi eleita após a selecção dos processos de fabrico no item , apresentando as seguintes vantagens: Indicada para séries menores e engloba menores custos. As caixas de moldagem são reutilizáveis num curto espaço de tempo. Boa estabilidade dimensional. Baixa possibilidade de surgimento de fissuras. Possibilidade de alguma automatização (Figura 59), inclusive a utilização da robótica. 113

142 V CAPÍTULO Figura 59 - Automatização aplicada à fundição em moldes de areia Por outro lado, o acabamento superficial não é dos melhores, requerendo algum trabalho de acabamento final e posterior tratamento térmico. Tendo por base o Celeron Conforme já foi analisado, o Celeron é constituído por um termoendurecivel (fenólico) combinando tecidos de algodão, e, normalmente, encontra-se no mercado em forma de placas prontas a serem maquinadas. Contudo, não é racional o uso da maquinação para o fabrico da estrutura da bicicleta estática. Segundo Lesko (2004) os termoendureciveis eram, de certa forma, limitados à moldagem por compressão, e a moldagem por injecção dos termoplásticos era simples. Actualmente, ambos os polímeros permitem a moldagem por injecção. Os componentes moldados são feitos combinando a resina com vários materiais de enchimento que, por vezes, correspondem até 50 a 80% do peso total dos componentes moldados. Os materiais de enchimento reduzem a retracção durante a moldagem, diminuem o custo e aumentam a resistência mecânica. Neste processo, utilizam-se máquinas em que o plástico liquefeito é alimentado por um tambor aquecido, onde os grãos plásticos são misturados com aditivos e forçados a entrar e preencher um molde aquecido, onde se dá a cura. 114

143 V CAPÍTULO Deve-se considerar grandes quantidades a fabricar, de modo a amortizar o equipamento, já que o custo das ferramentas e máquina (Figura 60) é elevado. Figura 60 - Equipamento para injecção de polímeros (ARBURG 56 ) Ao nível da montagem do produto, recomenda-se: Seja facilmente montável e, de preferência só de um lado e de forma automática. Produção em série. Sejam mínimos o gasto de tempo e o emprego de ferramentas. Clareza na sequência das montagens (a análise da desmontagem é muito útil). Envolver todas as operações do processo (armazenagem e ordenamento, manuseamento, ajustamento através de tolerâncias adequadas, posicionamento orientado e alinhado, garantia de auto-posicionamento, controlo, etc.). A eficácia na montagem consegue-se através da utilização de uma linha em formato circular constituída por um carril com suportes giratórios (Figura 61), onde as bicicletas são sucessivamente montadas por diversos operadores, colocados em posições estratégicas e com funções específicas. Os componentes necessários em cada fase da montagem são dispostos de modo a facilitar o seu acesso. 56 (consultado em 13 de Junho de 2010). 115

144 V CAPÍTULO Figura 61 - Esquema de suporte de apoio em linha de montagem da bicicleta estática A montagem poderá ser ainda mais optimizada, recorrendo aos robôs (Figura 62). Estes fazem com que o processo se desenvolva mais rapidamente, de uma forma eficiente e com maior precisão do que qualquer outra solução convencional. Permitem eliminar funções aborrecidas para os funcionários e um significativo aumento de produção e qualidade. A sua utilização diminui o tempo de paragem, reduz os custos de produção e permite um elevado retorno do seu investimento. Figura 62 - Aplicação da robótica à operação de montagem (YASKAWA - Motoman ) 116

145 V CAPÍTULO Mantenabilidade Identificados no capítulo 4 os problemas que requerem excessiva manutenção nas bicicletas estáticas, e, entre os apresentados, o aspecto da corrosão originada pelo suor, uma das efectivas preocupações das instituições inquiridas, tornou-se premente implantar acções para a operacionalidade efectiva do equipamento em projecto. Nesse sentido, foram encetadas parcerias de trabalho experimental com organizações que se dispuseram a colaborar na busca de soluções preventivas da corrosão. A melhoria das propriedades anticorrosivas dos equipamentos não depende só da tinta aplicada, mas sim de todo o esquema usado. Existem três intervenientes nesse processo: Material estrutural de base. Pré-tratamento. Esquema de pintura. O material de base, sendo um não ferroso como o caso do alumínio, pelas suas intrínsecas características, e, caso necessário ou por algum acréscimo, se for aplicado um adequado pré-tratamento, certamente que se garantirá uma duradoura resistência à corrosão. Se por motivos económicos ou técnicos for utilizado um material de base ferrosa, como o caso do aço macio, o pré-tratamento terá por certo um papel decisivo no resultado final. Poderá ser necessário usar a fosfatação cristalina, um primário de zinco ou a galvanização. Relativamente à pintura há que ter em conta dois aspectos: A resistência química poderá diminuir dado o agente agressor e tendo em conta que, por imposições decorativas, o uso de pigmentos metálicos é frequente. Especial atenção a dar à espessura de tinta nomeadamente nas zonas mais sensíveis como as arestas e soldaduras, para que a protecção seja eficiente. O uso de verniz como camada adicional poderá garantir as espessuras mínimas necessárias. Para tal foi realizado um ensaio em câmara de nevoeiro salino a algumas amostras, de modo a confirmar algumas hipóteses enunciadas e tirar algumas conclusões definitivas relativamente ao material e acabamento superficial. Estes elementos terão de ser capazes de resistir à corrosão, induzida pela presença dos agentes corrosivos presentes numa sessão de Spinning, e, desta forma, garantir a mantenabilidade das bicicletas estáticas. 117

146 V CAPÍTULO Foram seleccionadas para o ensaio, quatro amostras com as seguintes características: Três tubos ovais com costura, 40x20x1,5, em aço St.1203, com cerca de 295 mm de comprimento. Um perfil de secção especial, em liga de alumínio 6060, com cerca de 425 mm de comprimento. A Tabela 12 apresenta os pré-tratamentos e pinturas 57 aplicadas sobre as amostras. Tabela 12 - Pré-tratamentos e pinturas das amostras para os ensaios de nevoeiro salino 57 Os pré-tratamentos e pinturas tiveram a amável colaboração da Mafirol - Industria Equipamentos S. A. e de outros que a seu pedido não são aqui nomeados. 118

147 V CAPÍTULO Em parceria com uma entidade acreditada 58, foram colocadas as amostras em ensaio de nevoeiro salino neutro 59 a 500 horas segundo a norma EN ISO Segundo esta norma os provetes foram sujeitos a uma atmosfera salina (solução electrolítica constituída por uma percentagem de NaCl; cerca de 5 %) e a uma temperatura de 35 ºC. No final apresentaram diferentes aspectos (Figura 63) e obteve-se uma avaliação a partir da norma NP EN ISO (Tabela 13). Figura 63 - Amostras após os ensaios de nevoeiro salino neutro por 500 horas 58 Teve a amável colaboração da Mafirol - Industria de Equipamentos S.A. 59 Em termos do PH da solução. 60 Área corroída (%) sobre a superfície pintada - escala usada segundo a NP EN ISO : Ri0 0/Ri1 0,05/Ri2 0,5/Ri3 1/Ri4 8/Ri5 40 a

148 V CAPÍTULO Tabela 13 - Avaliação das amostras após os ensaios de nevoeiro salino segundo a norma NP EN ISO Os resultados do ensaio são avaliados em função da evolução da corrosão, quer na incisão (ou corte) que se realiza previamente ao inicio do ensaio, quer no resto da superfície da peça, e pelo empolamento da pintura. O resultado que se pretende é que não haja aparecimento de corrosão, o que é representado por "0" (na Tabela 13). Dos vários parâmetros analisados, o que é mais valorizado, por ser o mais agressivo, uma vez que rompe toda a pintura e tratamento até ao substrato, é a corrosão na incisão, e é medido através da distância provocada pela corrosão em relação ao corte inicial. O resultado é aceitável até 2 mm de afastamento. Como é óbvio, quanto menor o valor melhor é o resultado. Um ensaio de 500 horas é já bastante agressivo para uma fosfatação amorfa e pintura a pó poliéster, pelo que o resultado obtido apresentou-se dentro do esperado. Seria interessante ter continuado o ensaio e verificar como evoluiria a corrosão. Habitualmente acima das 500 horas a corrosão evolui exponencialmente. Da experiência de outras situações semelhantes, a peça 3 (fosfato amorfo+pó poliéster) com mais 50 a 100 horas apresentaria uma corrosão de 3 a 4 mm, a peça 2 (fosfato zinco+cataforese+pó poliéster) aguentaria mais 200 a 250 horas e o alumínio ultrapassaria certamente as 2000 horas. Apesar de não ser habitual, pelo tempo que demora, há registo de peças de alumínio com 4000 horas sem qualquer corrosão (informação amavelmente cedida pelo responsável da Chemetall S.A. - Sucursal em Portugal). Facilmente se depreendeu do ensaio anterior e do conhecimento de outras experiências, que para haver um afastamento do problema da corrosão provocada pelo suor nas estruturas das bicicletas estáticas aplicadas à modalidade do Spinning, deve-se atender ao seguinte, em função do material de base e do acabamento superficial: Metal ferroso, o aço, com a aplicação de fosfato de zinco, cataforese e pó poliéster (peça 2), apresentará uma resistência à corrosão superior a um acabamento à base de fosfato amorfo e poliéster (peça 3). Este aspecto justifica nitidamente o 120

149 V CAPÍTULO problema da corrosão apresentado pelos ginásios, já que a maioria das bicicletas estáticas apresentam no seu acabamento superficial, um idêntico ao que foi dado à peça 3. Metal não ferroso, o alumínio e suas ligas, com um acabamento de conversão isenta de crómio e pó poliéster, tem excelente resistência à corrosão e apresenta-se nitidamente como uma óptima alternativa ao fabrico das estruturas para as bicicletas estáticas Confiabilidade Confiabilidade corresponde à probabilidade de um produto atender satisfatoriamente a condições operativas específicas, num determinado período de tempo. Segundo Ganhão e Pereira (1992), o FMEA ou AMFEC 61 é extremamente útil e recomenda-se na análise do projecto ou processo de fabrico de um produto. É uma técnica analítica que procura identificar e avaliar os modos e as causas potenciais de falha associadas, bem como as acções correctivas que as anulam ou atenuam, ou seja, avalia o nível de confiabilidade. O FMEA envolve uma equipa multifuncional e tem como ponto de partida o organograma do produto ou o fluxograma dum processo, consoante seja aplicado a um produto ou a um processo. O FMEA de projecto de um produto enquadra-se melhor aos intentos deste trabalho, já que se trata de um documento vivo que deverá ser realizado antes da elaboração dos processos de fabrico e montagem. 61 Análise dos Modos de Falha, seus Efeitos e Criticidade. 121

150 V CAPÍTULO Apesar de não depender dos controlos do processo de fabrico, leva em consideração limitações técnicas 62, tais como: Dificuldades nos acabamentos de superfície. Necessidades de ângulos de saída. Acessos para as ferramentas. Espaço de montagem e desmontagem. Capacidades do processo de fabrico. Aplicando a análise FMEA ao projecto em estudo, identificam-se e descrevem-se os seguintes dez passos: 1. Definição do projecto do produto, o item a analisar, suas funções e identificar os modos potenciais de falha Este trabalho aborda o projecto de uma bicicleta estática, onde a sua estrutura principal é o componente a desenvolver e analisar ao pormenor. A definição das funções a que o item terá de atender no projecto (para que serve?), incluindo informações acerca do ambiente em que vai operar (em que condições vai trabalhar?), resulta no seguinte: Resistir ao alto teor de suor. Resistir de forma a manter a estabilidade. Agradável. Ancoragem dos outros componentes do projecto. Modos potenciais de falha do componente ao atender ao objectivo do projecto: Corrosão geral. Fissuras e deformações. Folgas excessivas. 62 As limitações técnicas no processo de fabrico (FMEA de processo) podem induzir modos potenciais de falha que deverão ser atendidos na fase de projecto (FMEA de projecto). 122

151 V CAPÍTULO 2. Identificação dos efeitos potenciais de falha Supondo que haja falha, é importante saber que implicações esta situação trás para o cliente (ou até mesmo para o directo utilizador). Para o caso em estudo, poderá ser: Má aparência. Inoperância. Pouca aceitação. Desgaste prematuro. 3. Determinação da gravidade dos efeitos A gravidade (Tabela 14) resulta do efeito de potencial falha perante o cliente. Só poderá ser reduzido o seu grau através da modificação do projecto. Tabela 14 - Critério de avaliação da gravidade por efeito de potencial falha perante o cliente 4. Identificação das causas potenciais de falha As causas (Tabela 15) correspondem a deficiências de projecto que poderão originar a falha. Para cada tipo de falha lista-se todas a causas possíveis de modo a permitir acções correctivas. 123

152 V CAPÍTULO Tabela 15 - Falhas e causas potenciais do projecto em estudo 5. Determinação da frequência a que ocorre cada causa Neste ponto, estima-se a probabilidade (Tabela 16) da causa em questão ocorrer e ocasionar o tipo de falha considerado, e esta análise é baseada nos seguintes aspectos: Dados estatísticos ou relatórios de falhas (importante neste trabalho). Dados obtidos em literatura específica (fontes basilares). Dados de fornecedores e/ou clientes (relevante neste trabalho). Tabela 16 - Critério de avaliação da frequência com que ocorrem as causas 124

153 V CAPÍTULO 6. Identificação dos controlos que podem evitar ou detectar os modos de falha É importante registar as medidas de controlo recomendáveis durante o projecto, tais como: ensaios, estudos, testes, inspecções, etc.. 7. Determinação da probabilidade dos controlos não serem bem sucedidos e calcular a prioridade de actuação Aqui avalia-se a probabilidade da falha ser detectada (Tabela 17) antes de se iniciar o fabrico do produto. Tabela 17 - Critério de detecção da falha antes de se iniciar o fabrico do produto 8. Definição as acções correctivas recomendadas Quando os modos de falha estiverem ordenados pelo factor de prioridade (é o produto, P, de três índices definidos anteriormente, interessando reduzir qualquer um deles - gravidade, G, frequência, F, e detectabilidade, D), deverão ser definidas acções correctivas, dirigidas em primeiro lugar para as falhas de maior prioridade. 9. Descrição das acções efectivamente tomadas Depois da implementação das acções, há que descrevê-la acompanhada da data de realização. 125

154 V CAPÍTULO 10. Cálculo da nova prioridade Após a definição da acção correctiva, deve-se estimar os novos índices (G, F e D) e calcular a nova prioridade que deverá ser menor que a calculada antes da implementação das acções correctivas. Esta análise é basicamente dedutiva, não necessitando de cálculos muito sofisticados, sendo os resultados, registados em formulário apropriado (Tabela 18). Tabela 18 - Exemplo prático, AMFEC do projecto 126

155 V CAPÍTULO Ergonomia, estética e meio ambiente Para que um projecto seja uma boa solução ergonómica, deve contemplar para os utilizadores actividades favoráveis e seguras ao nível das suas posições, posturas e forças. Dentro de vários aspectos importantes da ergonomia, o que sobressai em termos de importância a este trabalho, e conforme já foi referido no item 5.2, relaciona-se com as características anatómicas, antropométricas, fisiológicas e biomecânicas do ser humano e como elas se relacionam com as actividades físicas desenvolvidas no equipamento em estudo e análise neste projecto. No mercado já existem alguns softwares que auxiliam a análise ergonómica dos projectos. Entre eles, o AnyBody é bastante recomendável. Permite a modelagem da mecânica do corpo humano, calcula as forças nos músculos, energia elástica nos tendões, metabolismo e muitas outras propriedades físicas do corpo humano (AnyBody, 2007). Consegue-se obter dimensões optimizadas para a bicicleta em função do ginasta e que minimizem a fadiga muscular. Por exemplo, através de um modelo pode-se calcular e optimizar a posição do selim em termos da altura de modo a reduzir o metabolismo e visualizar gradualmente os resultados numa janela (Figura 64). Figura 64 - Software de apoio à optimização ergonómica numa bicicleta, relacionando a altura do selim com o metabolismo (AnyBody, 2007) 127

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