UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA UFSC DEPARTAMENTE DE ENGENHARAIA MECÂNICA ESTÁGIO PROFISSIONAL EM ENGENHARIA MECÂNICA EMC 5522 RELATÓRIO 1/3

Transcrição

1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA UFSC DEPARTAMENTE DE ENGENHARAIA MECÂNICA ESTÁGIO PROFISSIONAL EM ENGENHARIA MECÂNICA EMC 5522 RELATÓRIO 1/3 INSTITUTO FRAUNHOFER PARA TECNOLOGIAS DE PRODUCAO IPT ALUNA: ANDRÉA TROMBINI NUNES ( ) ORIENTADORES: PROF. DR. - ING. WALTER L. WEINGAERTNER (UFSC) HARALD SCHUMACHER (IPT) AACHEN, 30 DE SETEMBRO DE 2008.

2 Instituição: Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC Local de Estágio: Instituto Fraunhofer para Tecnologias de Produção IPT Título: Relatório 1/3 do Estágio Curricular Período: 04/08/08 à 30/09/08 Aluna: Andréa Trombini Nunes Orientador na Empresa: Harald Schumacher Orientador na UFSC: Prof. Dr. - Ing. Walter Lindolfo Weingaertner Local: Aachen - Alemanha. 2

3 Conteúdo 1- Fraunhofer Gesellschaft Instituto Fraunhofer IPT Tecnologia e processo Produção de máquina Técnicas de metrologia e qualidade Tecnologia e gerenciamento Estágio Usinagem com jato de água Funcionamento do jato de água Trabalhos realizados Testes Conclusão Referências Bibliográficas

4 1- Fraunhofer Gesellschaft A Fraunhofer Gesellschaft, fundada em 1949 como uma associação sem fins lucrativos é formada por mais de 80 unidades de pesquisa. Suas sedes se situam em 40 diferentes cidades alemãs, bem como nos Estados Unidos, Ásia e Oriente Médio. Possuindo uma equipe permanente de aproximadamente funcionários, a associação realiza pesquisas para a indústria e governo, além da implementação de pesquisa fundamental no campo prático. Seu orçamento anual de pesquisa é de aproximadamente 1,3 bilhões, aplicados em: Tecnologia de materiais, comportamento de componentes; Tecnologia de informação e comunicação; Microeletrônica e tecnologia de micro-sistemas; Sistemas de sensores, tecnologia de ensaios e calibração; Engenharia química; Tecnologia de energia e construção, Pesquisa de meio ambiente e medicina; Estudos técnicos e econômicos; Comutação de informação; Tecnologia de produção e fabricação. 1.1 Instituto Fraunhofer IPT Fundado em 1980, o Instituto Fraunhofer ITP está situado em Aachen, na Alemanha, e possui uma filial em Boston, nos Estados Unidos (Fraunhofer Center Manufacturing Innovations, CMI). Figura 1 Instituto Fraunhofer para Tecnologias de Produção IPT Com serviços prestados principalmente para as indústrias automobilística, aeronáutica, óptica, mecânica de precisão e tecnologia espacial, o quadro de 4

5 colaboradores é de aproximadamente 300 funcionários, atuando nas áreas de pesquisa básica, pesquisa aplicada e desenvolvimento, além de consultorias. Os núcleos de trabalho do instituto se dividem em: Tecnologia de processos; Máquinas de produção; Técnicas de metrologia e qualidade; Planejamento e organização Tecnologia e processo A partir da criação de novos processos de produção, bem como otimização dos processos já existentes, este núcleo trabalha com: Usinagem de alta velocidade (fresamante em cinco eixos, e retificação); Usinagem de precisão e ultra precisão; Micro-usinagem; Usinagem de novos materiais (cerâmica de alta capacidade, compósitos reforçados por fibra, semicondutores, vidros, etc.); Tratamento superficial, corte, soldagem e processos assistidos por laser; Corte com jato de água e jato de água com abrasivo; CAD/CAM Produção de máquinas Neste setor, protótipos para máquinas de precisão, micro-componentes e sistemas de montagem são criados, analisadas e otimizados. Algumas das áreas de atuação são: Fibra de plástico reforçado (aplicação médica, termoplásticos, etc.); Usinagem de rotacionais e não-rotacionais simétricos; EDM (usinagem por descarga elétrica); Técnicas de metrologia e qualidade O controle dos processos é feito a partir do desenvolvimento e otimização dos produtos e serviços, como micro-sensores, componentes ópticos, dentre outros, além da segurança na criação dos mesmos Tecnologia e gerenciamento Com o desenvolvimento de novas tecnologias e aprimoramento das técnicas já existentes para atender às necessidades dos clientes, este núcleo gerencia os estoques e faz a análise de custo e preço para o instituto. 5

6 2- Estágio A realização do estágio profissional ocorre no Instituto Fraunhofer IPT, no setor de Tecnologia de Processo, na área de usinagem com jato de água e água com abrasivo, de 04/08/08 à 05/12/08. Ao longo deste período, serviços para indústria, assim como pesquisas para a otimização do processo serão realizados. Para a correta execução dos trabalhos e entendimento do processo é necessário conhecimento de CAD/CAM (desenho auxiliado por computador), e da linguagem CNC (controle numérico computadorizado). O primeiro requisito é importante para a criação dos desenhos das pecas, enquanto o segundo item diz respeito ao funcionamento da máquina. AutoCAD Mechanical, versão 2006 é utilizado como software na criação dos desenhos 2D. A figura 2 mostra uma peca bastante produzida pela máquina de corte com jato de água e abrasivo. Figura 2 Desenho feito no AutoCAD da peca a ser cortada na máquina. Com o programa FILOU NC2000 os arquivos feitos no AutoCAD (em formato.dxf), são convertidos para a linguagem CNC. Escolhido o tipo de corte -com ou sem abrasivo - os desenhos 2D são mostrados na interface do programa, e o contorno do jato (em azul na figura 3), determina os comandos necessários para o corte da peca, como correção ou não de contorno, interpolação linear e/ou circular,etc., sendo um arquivo, no formato.iso, gerado com essas informações (figura 4). 6

7 Figura 3 Interface do programa FILOU NC2000. Figura 4 Programa em CNC criado pelo FILOU NC Usinagem com jato de água Dr. Norman Franz, um engenheiro florestal, é tido como o inventor desta técnica, criada para cortar tábuas de madeira, nos anos 50, embora uma produção em série da mesma nunca tenha ocorrido. Ao Dr. Mohamed Hashish, é atribuída à criação do corte com jato de água e abrasivo (no começo da década de 80), o que tornou possível a usinagem de materiais mais duros. Neste caso, abrasivo é inserido no jato de água, o que permite o corte de metais, fibra de carbono, titânio, concreto, mármore, etc. 7

8 Atualmente são vários os campos de atuação do corte com jato de água e água com abrasivo, como indústria automobilística, aeronáutica, alimentícia, cerâmica, dentre outros. Esta técnica é bastante utilizada na indústria, uma vez que o desperdício de material é muito pequeno, não há alteração na micro-estrutura da peca usinada (a geração de calor é pequena), praticamente todos os materiais podem ser cortados (exceto vidros temperados), e, na maioria dos casos, não há necessidade de acabamento superficial. Pecas de ultra precisão podem ser fabricadas a partir do processo, pois as mais diversas formas geométricas podem ser produzidas, e boa tolerância dimensional pode ser alcançada. A única exigência do processo é que a espessura do canal ou diâmetro/raio do furo/arredondamento seja maior ou igual ao diâmetro do foco utilizado no corte. A figura 5 mostra algumas das formas possíveis de se produzir e alguns dos materiais que podem ser usinados com jato de água e abrasivo. Figura 5 Pecas usinadas com jato de água e abrasivo. O corte de pecas pouco espessas e relativamente dúcteis pode ser feito apenas com água, como peças plásticas, no corte de alimentos, fraldas e papel. À medida que o material se torna mais espesso e/ou duro é necessário a utilização de abrasivo para um corte eficaz e com bom acabamento superficial. Neste caso, o jato de água acelera os grãos do abrasivo, os quais são responsáveis pela erosão do material a ser cortado. Granada é o tipo de abrasivo mais usado na indústria, devido a sua eficiência no corte (capaz de usinar quase todos os materiais), e baixo custo. Para materiais muito frágeis, óxido de alumínio (alumina) é utilizado, mas este tipo de abrasivo tem como desvantagens seu preço e rápido desgaste dos componentes da máquina. De acordo com a espessura da peca, seu material e qualidade do acabamento superficial, o tamanho do grão do abrasivo (Mesh), é escolhido. Quanto maior o valor do Mesh, melhor a superfície cortada. Os maiores tamanhos de grão correspondem aos menores valores de Mesh, neste caso, cada grão apresenta maior energia de corte, tornando o mesmo mais rápido, porém com pior acabamento superficial. No instituto, Mesh 80, 120 e 180 8

9 (figura 6), são usados, sendo que, os dois primeiros tamanhos de grão são os mais utilizados. Figura 6 Meshs mais usados no instituto Funcionamento do jato de água O princípio de funcionamento do corte com jato de água se baseia na erosão do material a ser usinado, pela água ou pelo abrasivo. Em ambos os casos, uma bomba pressuriza a água filtrada normalmente até, no máximo 6000 bars, fazendo com que a água passe por um pequeno orifício de uma jóia (Düsen). No caso de corte com abrasivo, o jato ainda passa pela câmara de mistura (mixing chamber), e pelo foco (Fokus), onde o abrasivo é misturado à água e acelerado até o local do corte. Os componentes básicos da máquina são: sistema de filtragem, bomba e sistema de corte. A filtragem e desmineralização da água se tornam necessárias para evitar o desgaste precoce do sistema de corte bem como para um melhor acabamento da peça. A bomba utilizada no processo utiliza o princípio do amplificador hidráulico, onde cilindros de diâmetros internos diferentes são ligados por um pistão e contêm, cada um, um fluido diferente. No cilindro maior, óleo é inicialmente pressurizado e, no cilindro menor, água sofre um aumento de pressão inversamente proporcional à diminuição na área do pistão, uma vez que a força para deslocar o mesmo é constante. Antes de voltar ao reservatório de óleo, o mesmo tem sua temperatura diminuída por um sistema de resfriamento. Para evitar grandes flutuações na pressão do jato, dois pistões intensificadores são utilizados. Antes que o primeiro pistão chegue ao fim de seu curso, o segundo já começa seu avanço ou recuo, evitando, com isso, que haja uma grande queda na pressão do sistema (figura 7). 9

10 Figura 7 Funcionamento dos pistões intensificadores. No instituto, uma bomba de 100 HP (75KW), pressuriza o óleo até 200 bars, e tem uma redução de área do pistão de 20 vezes. Neste caso, a pressão da água pode chegar até 4000 bars. Ao passar pela tubulação que leva até a peça, há perda de carga de, aproximadamente 400 bars. A figura 8, retirada do site da companhia Flow International Corporation - ilustra o funcionamento da bomba. Figura 8 Princípio de funcionamento da bomba intensificadora. A energia potencial fornecida pela bomba é transformada em energia cinética através do Düsen, uma jóia (normalmente de safira, podendo ainda ser de rubi ou diamante), com um pequeno orifício central (entre 0,075 e 0,5 mm). Esta transformação pode ser explicada pela equação de Bernoulli (equação 1), onde a pressão antes da jóia tem valor igual à fornecida pela bomba e a velocidade é relativamente baixa. Ao passar pelo orifício, a pressão é reduzida 10

11 até, aproximadamente a pressão atmosférica, enquanto a velocidade aumenta drasticamente, chegando-se a velocidades supersônicas. 1 p + ρv 2 + ρgh = cte 2 (Equação 1) Considerando que a diferença de posição é muito pequena antes e depois do Düsen, a velocidade de corte do jato pode ser estimada como na equação 2. No caso de corte com água e abrasivo, a diferença de pressão gerada é responsável pela sucção de abrasivo na câmara de mistura, e a velocidade do jato é reduzida, pois há um aumento de massa (devido à inserção de abrasivo), a velocidade de corte do abrasivo é então dada pela equação 3. v jato 2 p jato = (Equação 2) ρ água v abrasivo = v jato 1 + (Equação 3) ( m + m ) abrasivo água Devido ao atrito e turbulências no fluido, a velocidade de corte do jato e do abrasivo não são exatamente iguais as calculadas nas equações 2 e 3, devendo-se corrigi-las com os coeficientes µ e ȃ. De acordo com o site WaterJet RCAM estes coeficientes são da ordem de 0,8 a 0,98 para o jato e de 0,73 a 0,94 para o abrasivo, levando às equações 4 e 5. v = µ (Equação 4) real v jato v abrasivo v jato = η (Equação 3) 1+ ( mabrasivo + mágua ) Quando o corte é feito com abrasivo, além da jóia (figura 9), uma câmara de mistura e um pequeno tubo (geralmente de metal duro), são adicionados ao sistema de corte. Há na câmara de mistura (figura 10), duas aberturas; uma na parte superior e alinhada com o centro, para a entrada da água pressurizada, e outra na lateral, onde o abrasivo é succionado após a queda de pressão gerada pelo Düsen. De acordo com o diâmetro do foco selecionado, deve-se escolher uma jóia com orifício de três a quatro vezes menor. A função do foco é misturar abrasivo e água, fazendo com que os grãos sejam acelerados pela água, além de tornar o jato o mais perpendicular possível para atingir o material a ser usinado. 11

12 Figura 9 Jóia/Düsen Figura 10 Mixing Chamber. Faz parte da máquina ainda um tanque contendo uma grade, onde a peça é fixada, e água com fragmentos cerâmicos para absorver a energia restante do jato. A água ainda tem como funções redução do barulho gerado durante a usinagem, bem como diminuir a quantidade de ar entre peca e jato, evitando, como isso, a criação de muita turbulência no processo. Em algumas máquinas, a usinagem das peças é feita de baixo da água, porém esta prática impede uma boa visualização do corte, não sendo usada no instituto. A água do processo é reutilizada no abastecimento do tanque, para isso há outro sistema de filtragem, que retém as partículas do abrasivo e o material retirado das pecas. A figura 11 mostra o tanque de água, o sistema de corte e a máquina CNC usados no instituto. 12

13 2.2 Trabalhos realizados Figura 11 Máquina de corte com jato de água. Devido à parceria que o instituto possui com empresas, alguns pedidos são constantes. A escolha pelo corte com jato de água nesses casos se deve à facilidade de corte para contornos complexos, possibilidade de corte em materiais frágeis com bom acabamento superficial, bem como em função da boa repetibilidade do processo. Um contorno constantemente produzido é mostrado na figura 12. Esta peça plástica é utilizada na vedação dos vidros de vários modelos automotivos. Em função da sua pequena espessura (2 mm), e material, o corte é feito apenas com água, porém com velocidade de avanço de 399 mm/min. para um bom acabamento superficial. Figura 12 Vedação plástica produzida com jato de água. Outro pedido bastante recorrente é mostrado na figura 13. Estes sinalizadores de motocicleta são usinados com abrasivo em uma fina folha de vidro (1 mm). Para um bom acabamento superficial, Mesh 120 é usado como 13

14 tamanho de grão do abrasivo, com vazão mássica de 250 g/min. e velocidade de avanço de 299 mm/min. Figura 13 Sinalizadores usinados com jato de água e abrasivo. Com o jato de água e abrasivo foi possível cortar o eletrodo de alumínio de 4 mm, mostrado nas figuras 14 e 15. A usinagem de alumínio com outros processos é muitas vezes complicada, devido à adesão do material na ferramenta. O contorno do eletrodo também é bastante complexo de ser feito em outras máquinas, em função de suas pequenas dimensões, como é mostrado na figura 16. Figura 14 Corte do eletrodo. 14

15 Figura 15 Eletrodo de alumínio usinado com jato de água e abrasivo. Figura 16 Dimensões do eletrodo de alumínio. Em todos os cortes, a pressão da bomba tem sido mantida constante e igual a 2500 bars, para evitar o desgaste da mesma. 2.3 Testes Além dos trabalhos produzidos para as empresas, o instituto também realiza pesquisas para o desenvolvimento de novas técnicas e otimização das já existentes. Para o aprendizado da influência de alguns dos parâmetros envolvidos no processo, testes em barras de alumínio de 15x15 mm foram realizados com jato de água e abrasivo. Cortes de aproximadamente 10 mm de largura foram feitos ao longo da barra para avaliar a influência da velocidade de avanço, tamanho de grão do abrasivo (granada), e diâmetro do foco e jóia. A velocidade de corte está relacionada com a retirada de material da peça, sendo determinada pela pressão do jato (equações 2 e 3), a qual foi mantida constante durante os testes, com valor de 2500 bars. Já, a velocidade de avanço está relacionada com o acabamento superficial; à medida que esta aumenta, pior é a qualidade da superfície usinada. Isso ocorre em função do 15

16 arqueamento do jato ao penetrar na peça com velocidades de avanço muito elevadas. Devido ao atrito, o jato vai perdendo energia para erodir a peça ao longo da sua profundidade, o que acarreta em arqueamento do mesmo (figura17), e má qualidade das camadas mais profundas da peça. A figura 18 mostra a modificação na organização dos grãos com a variação da velocidade de avanço, no corte com Mesh 80, foco 1.0 mm e jóia 0.3 mm. Figura 17 Forma do jato ao penetrar na peça. Figura 18 Organização dos grãos com a alteração na velocidade de avanço. A partir da medição da rugosidade na superfície dos cortes foi possível comprovar a influência do tamanho de grão do abrasivo no acabamento superficial, como mencionado anteriormente, na seção 2.1. Mesh 80 e 120 foram usados nos testes, e uma comparação da rugosidade no começo, meio e fim do corte foi feita, para duas diferentes combinações de foco e jóia. As tabelas 1, 2, 3 e 4 mostram os resultados dos testes. 16

17 Tabela 1 Rugosidade superficial no corte com Mesh 120, foco 1.0 mm e jóia 0.3 mm. Mesh 120 Fokus 1.0 Düsen 0.3 Teile Antritt 15 4,11 24,06 27, ,36 25,95 30, ,88 25,63 27, ,09 25,34 30, ,94 31,8 34,24 Mesh 120 Fokus 1.0 Düsen 0.3 Teile Mitte 15 4,01 24,8 27,2 25 4,77 27,2 34, ,82 26,81 38,4 50 7,93 34,75 48, ,86 33,15 45,12 Mesh 120 Fokus 1.0 Düsen 0.3 Teile Ende 15 4,74 26,17 31,2 25 5,19 26,56 35,2 35 7,18 39,29 44, ,79 45,31 66, ,07 46,08 75,52 Tabela 2 - Rugosidade superficial no corte com Mesh 80, foco 1.0 mm e jóia 0.3 mm. Mesh 80 Fokus 1.0 Düsen 0.3 Teile Antritt 15 3,82 24,57 27, ,65 30,01 41, ,43 35,2 45, ,73 33,66 40, ,96 32,57 43, ,11 38,65 42,88 17

18 Mesh 80 Fokus 1.0 Düsen 0.3 Teile Mitte 15 5,04 29,44 36, ,42 29,24 34, ,58 41,6 51, ,42 45, ,28 48,51 69, ,67 52,09 80,64 Mesh 80 Fokus 1.0 Düsen 0.3 Teile Ende 15 6,52 33,66 38, ,13 42,17 56, ,22 46,08 62, ,78 63,61 77, ,19 51,84 86, ,65 58,49 94,08 Tabela 3 - Rugosidade superficial no corte com Mesh 120, foco 1.2 mm e jóia mm. Mesh 120 Fokus 1.2 Düsen Teile Antritt 15 4,17 24,96 27, ,93 25,02 28,8 35 4,48 27,39 31, ,57 28,51 33, ,39 31,36 41,28 Mesh 120 Fokus 1.2 Düsen Teile Mitte 15 6,1 30,46 38, ,28 28, ,95 31,61 44, ,11 28,35 36, ,87 32,89 40,96 18

19 Mesh 120 Fokus 1.2 Düsen Teile Ende 15 5,82 31, ,92 30,91 47, ,18 35,84 41, ,32 42,81 64, ,95 52,73 64,64 Tabela 4 - Rugosidade superficial no corte com Mesh 80, foco 1.2 mm e jóia mm. Mesh 80 Fokus 1.2 Düsen Teile Antritt 15 5,24 29,95 32, ,04 30,08 37, ,26 31,93 43, ,76 34,36 45,44 Mesh 80 Fokus 1.2 Düsen Teile Mitte 15 5,31 31,04 35, ,2 29,12 35, ,17 40,44 55, ,96 39,29 69,12 Mesh 80 Fokus 1.2 Düsen Teile Ende 15 5,71 30,65 41, ,39 42,24 62, ,83 50,43 91, ,82 85,76 A análise das tabelas anteriores demonstra não só a redução na qualidade da superfície à medida que a profundidade do corte aumenta, mas também a influência da velocidade de avanço no acabamento superficial da peça, como já citado. Os resultados obtidos foram coerentes com as expectativas; queda quase linear na qualidade superficial do corte com o aumento da velocidade de avanço, e decréscimo da qualidade com o aumento do tamanho de grão do abrasivo escolhido. Os valores discordantes podem ser atribuídos a falta de experiência da estagiária no manuseio do aparelho (rugosímetro), bem como flutuações nos parâmetros setados nos sistemas que compõem a máquina. 19

20 3 - Conclusão Estagiar em um instituto de produção de tecnologia de ponta está proporcionando a possibilidade de trabalhar e conhecer o que há de mais avançado na área de usinagem, bem como oferece a chance de aprender sobre mais uma área da mecânica, até então pouco conhecida por mim. O estágio está possibilitando não só a aplicação dos conhecimentos adquiridos na Universidade, mas também a descoberta do funcionamento do setor empresarial e comercial (na busca por novas parcerias). Nos primeiros meses, além do aprendizado da técnica de corte com jato de água e água com abrasivo, a ambientação no meio de trabalho, da cultura do instituto e do país foram constantes no dia-a-dia. Em função disso, este primeiro relatório descreve mais os passos necessários para a usinagem com jato de água e os trabalhos já em andamento. Vale à pena ressaltar a importância dos ensinamentos e sugestões do Técnico Harald Schumacher, tornando a transição entre vida acadêmica e profissional mais simples e proveitosa. Para os próximos meses, esperam-se, além dos trabalhos regularmente feitos, novas parcerias, possibilitando a descoberta de novos contornos e materiais possíveis de usinar com jato de água e/ou água com abrasivo, além da otimização do processo. 20

21 4 Referências Bibliográficas [1] Processos de Fabricação, Volume 3 Remoção, Prof. Dr. Ing.h.c. Wilfried König, Aachen Apostila Tecnologia de Fabricação, Volume 3, tradução Prof. Dr. Ing. Walter L. Weingaertner. [2] Apostila EMC 5218 Comando Numérico, Prof. Dr. Ing. Carlos Henrique Ahrens. [3] Site Flow International Corporation - [4] Site WaterJet RCAM - [5] Site Institut Fraunhofer