MODELAGEM DO EIXO ÁRVORE DE UMA BOMBA DE PISTÕES AXIAIS SWASHPLATE EM SOFTWARE CAD/CAE 3D

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1 MODELAGEM DO EIXO ÁRVORE DE UMA BOMBA DE PISTÕES AXIAIS SWASHPLATE EM SOFTWARE CAD/CAE 3D Emerson Luís Junqueira Faculdade de Tecnologia de Pindamonhangaba (FATEC) Rodovia Vereador Abel Fabricio Dias, 4010, Água Preta , Pindamonhangaba-SP Brazil Dr. Luiz Eduardo Nicolini do Patrocínio Nunes Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Taubate (UNITAU) Rua Daniel Danelli, s/n , Taubate-SP Brazil Dra. Valesca Alves Corrêa valesca.correa@unitau.com.br Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Taubate (UNITAU) Rua Daniel Danelli, s/n , Taubate-SP Brazil Resumo. Este trabalho tem por objetivo o modelamento geométrico do eixo árvore de uma bomba de pistões axiais swashplate totalmente desenvolvido em uma plataforma CAD/CAE amplamente conhecida em projeto mecânico. Tal projeto já foi foco de alguns trabalhos acadêmicos e, como o objetivo é o desenvolvimento computacional e não um novo dimensionamento, este será feito com os parâmetros já definidos por uma destas fontes de consulta disponíveis na comunidade acadêmica. O software utilizado para o projeto é o Autodesk Inventor versão 2010 [2]. Tal programa e versão foram adquiridos diretamente na comunidade educacional da Autodesk e está disponível gratuitamente mediante cadastro prévio para estudantes e professores em geral, somente para fins educacionais, que é o caso deste artigo. Os resultados apresentados neste artigo foram atingidos por modelamento com dimensões paramétricas, que proporciona grande ganho de tempo de trabalho e ainda conta com a vantagem da fácil modificação dos itens alterados no decorrer do projeto. Como resultado, espera-se que os recursos CAD/CAE do programa utilizado forneçam informações rápidas e práticas sobre as dimensões sugeridas para o projeto, auxilie na localização de informações pendentes ou incompletas e facilite o modelamento de elementos padronizados normalmente utilizados para montagem e transmissão de movimento e força entre os componentes que formam o conjunto mecânico. Palavras-chave: Prototipagem digital. Projeto paramétrico.

2 1. INTRODUÇÃO Atualmente é difícil encontrar, e até mesmo imaginar, que uma organização que mantém sua competitividade em frente aos concorrentes utilize recursos exclusivamente manuais para desenvolvimento e validação de seus projetos mecânicos. Existem diversas opções de softwares CAD/CAE no mercado, inclusive com licença gratuita, os conhecidos programas freeware, amplamente utilizados em ambientes dos mais variados, desde os educacionais até para fins comerciais em empresas de menor poder aquisitivo. O domínio da utilização destas ferramentas faz uma diferença significativa nos aspectos relacionados à precisão, produtividade e, principalmente, economia na confecção de protótipos em geral. A organização, com fins lucrativos ou mesmo exclusivamente de pesquisa científica, que consegue enxergar tais vantagens relacionadas diretamente ao uso destas ferramentas, vai ganhar principalmente no tempo de execução de seu projeto, considerando o começo das vantagens mais significativas e, além disso, terá mais recursos disponíveis para vender a sua ideia aos seus clientes em potencial, isso já tendo em vista que mesmo as tecnologias CAD/CAE mais simples do mercado oferecem recursos mínimos de apresentação gráfica de qualidade que agradam tanto aos olhos de quem não é da área técnica como também as necessidades de simulação e design dos profissionais voltados ao funcionamento e aspectos finais de seu projeto. Tais vantagens relacionadas a tempo, precisão e qualidade justificam que os custos iniciais de aquisição de licenças de produtos com módulos mais completos e a capacitação da equipe que utiliza tais ferramentas no desenvolvimento e simulação de projetos mecânicos. Segundo levantamento feito pela Aberdeen Group (2006), algumas vantagens confirmadas do uso de CAD/CAE são [1]: a) Grandes empresas aumentaram suas receitas, reduziram custos, anteciparam datas de lançamento e melhoraram metas da qualidade de produtos em 84% ou mais. b) Empresas de desenvolvimento estão produzindo 1,4 menos protótipos do que as desenvolvedoras tradicionais. c) Os líderes em desenvolvimento estimam uma média de 6,1 menos pedidos de modificações do que desenvolvedores comuns. d) Em suma, os líderes em fabricação desenvolvem e lançam produtos de alto valor agregado no mercado com 99 dias de antecedência e economia em desenvolvimento de até US$ 50,637.

3 2. MATERIAIS E MÉTODOS A proposta deste trabalho envolve a utilização do software CAD/CAE Autodesk Inventor 2010, disponibilizado gratuitamente pelo desenvolvedor em uma versão exclusiva para estudantes (AUTODESK, 2012) [2]. Este programa é classificado no mercado como mid-range (VILLERMANN, 2008) [8] e tem os módulos necessários para modelagem 3D e simulação que utiliza os princípios do método de elementos finitos (MEF) (CRUZ, 2009) [3]. Com o uso exclusivamente deste programa, será modelado e simulado o projeto de uma bomba de pistões axiais swashplate desenvolvida originalmente por Ferreira (2004) [5]. O método utilizado será o modelamento geométrico em 3D por features e paramétrica. Quando se trata de modelamento 3D em software paramétrico não há uma única maneira de se conseguir alcançar o modelo desejado. Há diferentes formas de se modelar a mesma peça, cada um com sua vantagem e desvantagem. Como referência para este trabalho estão sendo utilizadas as recomendações segundo Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007) [6] que são descritas no quadro 2. Quadro 1 - Principais recomendações para a modelagem 3D Fonte: Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007) [6] De acordo com Dassault Systèmes Solidworks Corporation (2010) [4], a intenção do projeto deve determinar como o modelo será modelado e, eventualmente, alterado. A relação entre as features e a ordem em que foram aplicadas vão auxiliar na definição desta intenção de projeto. As formas básicas de um modelo 3D, em geral, são originadas de um contorno 2D. A escolha do perfil será essencial para facilitar a modelagem da peça e, eventualmente, tornar mais simples qualquer alteração posterior necessária. A figura 2 mostra alguns exemplos de escolha de perfil para início da modelagem. Segundo esta metodologia, a escolha do perfil deve gerar uma etapa inicial de modelamento que defina, logo de início, as características principais do modelo. Segundo Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007) [6], uma outra forma de se definir a primeira feature é a utilização de sólidos básicos simples. Optando pela escolha de sólidos básicos, como

4 cilindros ou paralelepípedos, para início um novo modelo, é possível reduzir o indesejável excesso de relações de parentesco entre os recursos do modelo. Essas relações ocorrem quando há muitos detalhes em uma só geometria de base, o que dificulta as eventuais revisões no modelo. Outro cuidado é a escolha de uma geometria simples, que tenha particularidades com o formato desejado do modelo e que esteja devidamente posicionada nos planos de referência de forma que seja possível visualizar mais detalhes da peça. As figuras 3 e 4 comparam as diferentes formas de se modelar a mesma peça. Figura 1 - Escolha do melhor perfil

5 Fonte: Dassault Systèmes Solidworks Corporation (2010) [4] Figura 2 - Modelagem a partir de geometria complexa Fonte: Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007) [6] Figura 3 - Modelagem a partir de geometria simples Fonte: Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007) [6] Para este modelamento foi utilizada a modelagem a partir de uma geometria simples (figura 4). 4. REFERENCIAL TEÓRICO De acordo com Shigley, Mischke e Budynas (2005) [7], o ciclo completo de um projeto, desde o início até o seu final, parte do reconhecimento de que é necessária uma solução que pode ser obtida a partir do próprio projeto mecânico. Após diversas iterações, o processo é encerrado com a divulgação do planejamento para atender a demanda atual. De acordo com a natureza do fim a que se destina o projeto, diversas fases podem ser reinseridas durante a vida útil do produto, desde o seu início até o fim. Entre elas podemos assinalar: a) Reconhecimento da necessidade. b) Definição do problema. c) Síntese. d) Análise e otimização.

6 e) Avaliação. f) Apresentação. A figura 1 a seguir ilustra tais fases do projeto e suas respectivas iterações. Figura 4 - As fases do projeto e iterações Fonte: Shigley, Mischke e Budynas (2005) [7] Segundo Aberdeen Group (2006), quando o assunto é projeto a tendência é se fazer cada vez mais com menos. Os desenvolvedores que levam e consideração mudanças na forma como criam os resultados de projeto estão respondendo às pressões dos clientes e dos concorrentes, desenvolvendo produtos mais inovadores e melhorando a eficiência operacional [1]. O quadro 1 mostra as principais pressões comerciais e estratégicas sobre as empresas voltadas ao projeto de produtos.

7 Quadro 2-Principais Pressões Comerciais e Ações Estratégicas (2006) Fonte: Aberdeen Group (2006) [1] Segundo Shigley, Mischke e Budynas (2005) [7], softwares de projeto/engenharia auxiliado por computador (CAD/CAE) permitem o desenvolvimento de projetos em três dimensões (3D) com vistas ortogonais em duas dimensões (2D) automaticamente. Além disso, protótipos que antes eram feitos artesanalmente agora podem ser modelados digitalmente ou mesmo por meio de prototipagens rápidas, como a estereolitografia, por exemplo. O mercado disponibiliza algumas opções interessantes de softwares com variações de recursos, o que impacta diretamente nos custos de aquisição e capacitação do pessoal envolvido com projetos mecânicos. Além da classificação low-end, que limita os softwares com recursos 2D e 3D limitados e não paramétricos, podemos encontrar no mercado outras duas classificações que estão mais relacionadas ao foco de interesse deste trabalho que, segundo Villermann (2008) [8], são as seguintes: a) Produtos de Mercado Mid-range (Ex. Autodesk Inventor, SolidWorks Office, Solid Edge). b) Produtos de Mercado High-end (Ex. CATIA, NX, Pro/ENGINEER). A diferença básica entre as duas classificações reside somente nos módulos adquiridos juntamente com o tipo de software adotado. Em resumo, os programas high-end já possuem módulos completos, que vão desde o CAD 2D mais básico até o CAM, que envolve a programação CNC que será utilizada diretamente na manufatura. Segundo Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007) [6], entre as diferentes formas de modelagem sólida, as principais que se destacam são: c) CSG (Constructive Solid Geometry). d) B-Rep (Boundary Representation). e) Híbrida. f) Por Features. g) Paramétrica.

8 De acordo com Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007) [6], a grande parte dos programas CAD 3D da atualidade utilizam em seus princípios as metodologias de modelamento por features e paramétrica. Podemos definir as features (características) como sendo elementos físicos dos modelos que tem relação direta com a engenharia. De acordo com Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007, apud Speck, 2001) [6], o modelamento sólido paramétrico torna possível a confecção de modelos com referências dimensionais vinculadas às variáveis. Isso permite uma atualização automática do modelo após qualquer tipo de modificação feita em quaisquer ambientes do software. 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO O objetivo deste artigo é a modelagem e simulação de parte de uma bomba de pistões axiais swashplate originalmente projetada e construída por Ferreira (2004) [5]. A figura 5 mostra o projeto completo desenhado inteiramente em 2D no software low-end AutoCAD. A figura 6 mostra o teste funcional da bomba construída a partir do projeto de Ferreira (2004) [5]. Figura 5 - Bomba de pistões axiais swashplate Fonte: Ferreira (2004) [5] Como referência de resultados, para este artigo, serão demonstradas as etapas de modelamento do único eixo do conjunto. As dimensões da peça podem ser encontradas na figura 7 deste artigo.

9 Como início da modelagem, foi necessário definir qual o plano para a geometria base inicial. Como se trata de uma peça com geometria em revolução, a escolha do plano não era relevante para o processo de modelagem, neste caso foi utilizado o primeiro plano que já é aberto automaticamente pelo Autodesk Inventor 2010 [2], que no caso é o plano XY. Aproveitando a condição de geometria em revolução do eixo, foi desenhado o contorno da peça (figura 8) limitado pela linha de centro, que foi utilizada como eixo para aplicação da primeira feature: a revolução em 360 da geometria base inicial. Figura 6 - Teste funcional da bomba Fonte: Ferreira (2004) [5] Figura 7 - Dimensões originais do eixo Fonte: Ferreira (2004) [5]

10 Figura 8 - Geometria inicial feita no plano XY Concluída a primeira feature, já tínhamos disponível um corpo sólido na nossa área de trabalho para prosseguirmos com os demais recursos a fim de obtermos a peça com suas dimensões finais. Figura 9 - Primeira feature da revolução da geometria inicial A próxima etapa foi a aplicação dos chanfros do eixo, conforme figura 9. No desenho original não estavam previstas as dimensões do chanfro localizado no final da estria da ponta do eixo. Neste caso foi definido um chanfro de 2,5 mm X 45, medida utilizada na outra extremidade do mesmo diâmetro.

11 Figura 10 Aplicação das features dos chanfros No projeto original de Ferreira (2004) [5], não haviam detalhes a respeito das duas pontas estriadas do eixo. Neste caso, adotamos o padrão de estrias conforme a norma DIN 5480 com as medidas 32 mm X 2 mm X 14 dentre para o diâmetro menor e 47 mm X 2 mm X 22 para o diâmetro maior. Não foi necessária a consulta à norma original, já que o Autodesk Inventor 2010 [2] já possui uma biblioteca de parâmetros normalizados diversos, inclusive o da norma referenciada. Para modelagem das estrias foi utilizado o recurso denominado Design Accelerator do software, conforme mostrada na figura 11. O Design Accelerator é um recurso que executa uma série de cálculos para criar componentes mecânicos automaticamente, dentro das dimensões regidas pela norma indicada (CRUZ, 2009) [3]. Figura 11 - Estrias geradas pelo Design Accelerator do Autodesk Inventor 2010 [2]

12 Após a modelagem das estrias foi necessário outro ajuste nas medidas originais do projeto. O software prevê a usinagem residual causada pela saída da ferramenta que irá usinar as estrias da peça. Para o diâmetro menor, o raio de 5 mm previsto no projeto não foi suficiente para evitar que a ferramenta removesse parte do material do eixo que não está relacionado com a estria (figura 12). Para corrigir este inconveniente foi necessário alterar este raio para 7 mm, o que resultou em uma previsão de usinagem da estria satisfatória, tendo em vista que não haveria remoção residual não desejada de material do eixo (figura 13). Figura 12 - Detalhe do raio de saída da usinagem da estria com 5 mm Figura 13 - Detalhe do raio de saída da usinagem da estria com 7 mm

13 Concluído o modelamento do eixo, era necessário aplicar o material e acabamento à peça. O projeto original não definiu qual o material utilizado no eixo. Neste caso foi adotado a especificação Steel da biblioteca do software, referindo-se ao material Aço. A massa da peça, prevista pelo software, foi de 3,773 kg. Como acabamento foi adotado o Black Chrome e o modelo foi renderizado em perspectiva cônica, de forma a que o aspecto da imagem final fique o mais próximo possível de uma imagem de um modelo real. Figura 14 - Eixo renderizado em perspectiva cônica 6. CONCLUSÃO Os diversos softwares CAD/CAE 3D disponíveis no mercado estão sendo cada vez mais aceitos e adotados como ferramenta essencial de projeto mecânico nas mais diversas áreas da engenharia. Os resultados parciais deste trabalho evidenciam que a escolha adequada de uma sequência de modelamento, baseada na intenção do projeto, fazem diferença positivamente no resultado do projeto. A ausência de informações ou mesmo medidas que não geravam resultados satisfatórios foram facilmente detectados pelo software e facilmente corrigidos. O que facilitou estes ajustes foi a forma como a peça foi modelada, partindo de uma geometria em revolução simples na qual foram inseridos, aos poucos, detalhes da peça final até o resultado alcançado. O objetivo deste trabalho foi mostrar as facilidades e vantagens da utilização deste tipo de ferramenta de projeto mecânico com a intenção de, em continuidade a esta pesquisa, seja utilizada para conclusão do modelamento, montagem e simulação de todo o projeto desta bomba de pistões axiais swashplate. Agradecimentos

14 Ao professores Dr. Luiz Eduardo Nicolini do Patrocínio Nunes e Dra. Valesca Alves Corrêa, que me orientaram na elaboração deste artigo. Aos demais docentes do Mestrado Profissional em Engenharia Mecânica, que auxiliaram direta e indiretamente nos resultados apresentados. REFERÊNCIAS [1] ABERDEEN GROUP. A transição do esboço 2D para a modelagem 3D: Relatório de Referência. [s. L.]: Aberdeen Group, p. [2] AUTODESK. Autodesk Education Community. Disponível em: < Acesso em: 18 set [3] CRUZ, Michele David da. Autodesk Inventor 2010: Prototipagem digital versão suite e professional. São Paulo: Érica, p. [4] DASSAULT SYSTÈMES SOLIDWORKS CORPORATION (Estados Unidos). SolidWorks 2011: Conceitos básicos do SolidWorks. Concord: Dassault Systèmes Solidworks Corporation, p. [5] FERREIRA, Laércio. Projeto e construção de uma bomba de pistões axiais swashplate f. Dissertação (Mestrado) - Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, [6] FOGGIATTO, José Aguiomar; VOLPATO, Neri; BONTORIN, Ana Carolina Bueno. Recomendações para modelagem em sistemas CAD 3D. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO, 4., 2007, Curitiba: UTFPR, [7] SHIGLEY, Joseph E.; MISCHKE, Charles R.; BUDYNAS, Richard G.. Projeto de engenharia mecânica. 7. ed. São Paulo: Bookman, p. [8] VILLERMANN, Marek. Global web search as a new marketing planning tool for CAD vendors. Disponível em: < Acesso em: 21 out