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MODELAGEM DO EIXO RVORE DE UMA BOMBA DE PISTES AXIAIS SWASHPLATE EM SOFTWARE CAD/CAE 3D

Emerson Lus Junqueira emerson.junqueira@fatec.sp.gov.br Faculdade de Tecnologia de Pindamonhangaba (FATEC) Rodovia Vereador Abel Fabricio Dias, 4010, gua Preta 12455-010, Pindamonhangaba-SP Brazil

Dr. Luiz Eduardo Nicolini do Patrocnio Nunes luiz.nunes@unitau.com.br Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade de Taubate (UNITAU) Rua Daniel Danelli, s/n - 12060-440, Taubate-SP Brazil Dra. Valesca Alves Corra valesca.correa@unitau.com.br Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade de Taubate (UNITAU) Rua Daniel Danelli, s/n - 12060-440, Taubate-SP Brazil Resumo. Este trabalho tem por objetivo o modelamento geomtrico do eixo rvore de uma bomba de pistes axiais swashplate totalmente desenvolvido em uma plataforma CAD/CAE amplamente conhecida em projeto mecnico. Tal projeto j foi foco de alguns trabalhos acadmicos e, como o objetivo o desenvolvimento computacional e no um novo dimensionamento, este ser feito com os parmetros j definidos por uma destas fontes de consulta disponveis na comunidade acadmica. O software utilizado para o projeto o Autodesk Inventor verso 2010 [2]. Tal programa e verso foram adquiridos diretamente na comunidade educacional da Autodesk e est disponvel gratuitamente mediante cadastro prvio para estudantes e professores em geral, somente para fins educacionais, que o caso deste artigo. Os resultados apresentados neste artigo foram atingidos por modelamento com dimenses paramtricas, que proporciona grande ganho de tempo de trabalho e ainda conta com a vantagem da fcil modificao dos itens alterados no decorrer do projeto. Como resultado, espera-se que os recursos CAD/CAE do programa utilizado forneam informaes rpidas e prticas sobre as dimenses sugeridas para o projeto, auxilie na localizao de informaes pendentes ou incompletas e facilite o modelamento de elementos padronizados normalmente utilizados para montagem e transmisso de movimento e fora entre os componentes que formam o conjunto mecnico. Palavras-chave: Prototipagem digital. Projeto paramtrico.

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1. INTRODUO Atualmente difcil encontrar, e at mesmo imaginar, que uma organizao que mantm sua competitividade em frente aos concorrentes utilize recursos exclusivamente manuais para desenvolvimento e validao de seus projetos mecnicos. Existem diversas opes de softwares CAD/CAE no mercado, inclusive com licena gratuita, os conhecidos programas freeware, amplamente utilizados em ambientes dos mais variados, desde os educacionais at para fins comerciais em empresas de menor poder aquisitivo. O domnio da utilizao destas ferramentas faz uma diferena significativa nos aspectos relacionados preciso, produtividade e, principalmente, economia na confeco de prottipos em geral. A organizao, com fins lucrativos ou mesmo exclusivamente de pesquisa cientfica, que consegue enxergar tais vantagens relacionadas diretamente ao uso destas ferramentas, vai ganhar principalmente no tempo de execuo de seu projeto, considerando o comeo das vantagens mais significativas e, alm disso, ter mais recursos disponveis para vender a sua ideia aos seus clientes em potencial, isso j tendo em vista que mesmo as tecnologias CAD/CAE mais simples do mercado oferecem recursos mnimos de apresentao grfica de qualidade que agradam tanto aos olhos de quem no da rea tcnica como tambm as necessidades de simulao e design dos profissionais voltados ao funcionamento e aspectos finais de seu projeto. Tais vantagens relacionadas a tempo, preciso e qualidade justificam que os custos iniciais de aquisio de licenas de produtos com mdulos mais completos e a capacitao da equipe que utiliza tais ferramentas no desenvolvimento e simulao de projetos mecnicos. Segundo levantamento feito pela Aberdeen Group (2006), algumas vantagens confirmadas do uso de CAD/CAE so [1]: a) Grandes empresas aumentaram suas receitas, reduziram custos, anteciparam datas de lanamento e melhoraram metas da qualidade de produtos em 84% ou mais. b) Empresas de desenvolvimento esto produzindo 1,4 menos prottipos do que as desenvolvedoras tradicionais. c) Os lderes em desenvolvimento estimam uma mdia de 6,1 menos pedidos de modificaes do que desenvolvedores comuns. d) Em suma, os lderes em fabricao desenvolvem e lanam produtos de alto valor agregado no mercado com 99 dias de antecedncia e economia em desenvolvimento de at US$ 50,637.

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2. MATERIAIS E MTODOS

A proposta deste trabalho envolve a utilizao do software CAD/CAE Autodesk Inventor 2010, disponibilizado gratuitamente pelo desenvolvedor em uma verso exclusiva para estudantes (AUTODESK, 2012) [2]. Este programa classificado no mercado como mid-range (VILLERMANN, 2008) [8] e tem os mdulos necessrios para modelagem 3D e simulao que utiliza os princpios do mtodo de elementos finitos (MEF) (CRUZ, 2009) [3]. Com o uso exclusivamente deste programa, ser modelado e simulado o projeto de uma bomba de pistes axiais swashplate desenvolvida originalmente por Ferreira (2004) [5]. O mtodo utilizado ser o modelamento geomtrico em 3D por features e paramtrica.

Quando se trata de modelamento 3D em software paramtrico no h uma nica maneira

de se conseguir alcanar o modelo desejado. H diferentes formas de se modelar a mesma pea, cada um com sua vantagem e desvantagem.

Como referncia para este trabalho esto sendo utilizadas as recomendaes segundo Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007) [6] que so descritas no quadro 2.

Quadro 1 - Principais recomendaes para a modelagem 3D

Fonte: Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007) [6]

De acordo com Dassault Systmes Solidworks Corporation (2010) [4], a inteno do projeto deve determinar como o modelo ser modelado e, eventualmente, alterado. A relao entre as features e a ordem em que foram aplicadas vo auxiliar na definio desta inteno de projeto.

As formas bsicas de um modelo 3D, em geral, so originadas de um contorno 2D. A escolha do perfil ser essencial para facilitar a modelagem da pea e, eventualmente, tornar mais simples qualquer alterao posterior necessria. A figura 2 mostra alguns exemplos de escolha de perfil para incio da modelagem. Segundo esta metodologia, a escolha do perfil deve gerar uma etapa inicial de modelamento que defina, logo de incio, as caractersticas principais do modelo. Segundo Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007) [6], uma outra forma de se definir a primeira feature a utilizao de slidos bsicos simples. Optando pela escolha de slidos bsicos, como

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cilindros ou paraleleppedos, para incio um novo modelo, possvel reduzir o indesejvel excesso de relaes de parentesco entre os recursos do modelo.

Essas relaes ocorrem quando h muitos detalhes em uma s geometria de base, o que dificulta as eventuais revises no modelo. Outro cuidado a escolha de uma geometria simples, que tenha particularidades com o formato desejado do modelo e que esteja devidamente posicionada nos planos de referncia de forma que seja possvel visualizar mais detalhes da pea. As figuras 3 e 4 comparam as diferentes formas de se modelar a mesma pea.

Figura 1 - Escolha do melhor perfil

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Fonte: Dassault Systmes 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 TERICO

De acordo com Shigley, Mischke e Budynas (2005) [7], o ciclo completo de um projeto, desde o incio at o seu final, parte do reconhecimento de que necessria uma soluo que pode ser obtida a partir do prprio projeto mecnico.

Aps diversas iteraes, o processo encerrado com a divulgao 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 til do produto, desde o seu incio at o fim. Entre elas podemos assinalar:

a) Reconhecimento da necessidade. b) Definio do problema. c) Sntese. d) Anlise e otimizao.

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e) Avaliao. f) Apresentao.

A figura 1 a seguir ilustra tais fases do projeto e suas respectivas iteraes.

Figura 4 - As fases do projeto e iteraes

Fonte: Shigley, Mischke e Budynas (2005) [7]

Segundo Aberdeen Group (2006), quando o assunto projeto a tendncia se fazer cada

vez mais com menos. Os desenvolvedores que levam e considerao mudanas na forma como criam os resultados de projeto esto respondendo s presses dos clientes e dos concorrentes, desenvolvendo produtos mais inovadores e melhorando a eficincia operacional [1].

O quadro 1 mostra as principais presses comerciais e estratgicas sobre as empresas voltadas ao projeto de produtos.

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Quadro 2-Principais Presses Comerciais e Aes Estratgicas (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 trs dimenses (3D) com vistas ortogonais em duas dimenses (2D) automaticamente. Alm disso, prottipos que antes eram feitos artesanalmente agora podem ser modelados digitalmente ou mesmo por meio de prototipagens rpidas, como a estereolitografia, por exemplo.

O mercado disponibiliza algumas opes interessantes de softwares com variaes de recursos, o que impacta diretamente nos custos de aquisio e capacitao do pessoal envolvido com projetos mecnicos.

Alm da classificao low-end, que limita os softwares com recursos 2D e 3D limitados e no paramtricos, podemos encontrar no mercado outras duas classificaes que esto mais relacionadas ao foco de interesse deste trabalho que, segundo Villermann (2008) [8], so 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 diferena bsica entre as duas classificaes reside somente nos mdulos adquiridos juntamente com o tipo de software adotado. Em resumo, os programas high-end j possuem mdulos completos, que vo desde o CAD 2D mais bsico at o CAM, que envolve a programao CNC que ser utilizada diretamente na manufatura.

Segundo Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007) [6], entre as diferentes formas de modelagem slida, as principais que se destacam so:

c) CSG (Constructive Solid Geometry). d) B-Rep (Boundary Representation). e) Hbrida. f) Por Features. g) Paramtrica.

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De acordo com Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007) [6], a grande parte dos programas CAD 3D da atualidade utilizam em seus princpios as metodologias de modelamento por features e paramtrica. Podemos definir as features (caractersticas) como sendo elementos fsicos dos modelos que tem relao direta com a engenharia.

De acordo com Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007, apud Speck, 2001) [6], o modelamento slido paramtrico torna possvel a confeco de modelos com referncias dimensionais vinculadas s variveis. Isso permite uma atualizao automtica do modelo aps qualquer tipo de modificao feita em quaisquer ambientes do software. 5. RESULTADOS E DISCUSSO

O objetivo deste artigo a modelagem e simulao de parte de uma bomba de pistes axiais swashplate originalmente projetada e construda 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 construda a partir do projeto de Ferreira (2004) [5].

Figura 5 - Bomba de pistes axiais swashplate

Fonte: Ferreira (2004) [5] Como referncia de resultados, para este artigo, sero demonstradas as etapas de modelamento do nico eixo do conjunto. As dimenses da pea podem ser encontradas na figura 7 deste artigo.

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Como incio da modelagem, foi necessrio definir qual o plano para a geometria base inicial. Como se trata de uma pea com geometria em revoluo, a escolha do plano no era relevante para o processo de modelagem, neste caso foi utilizado o primeiro plano que j aberto automaticamente pelo Autodesk Inventor 2010 [2], que no caso o plano XY.

Aproveitando a condio de geometria em revoluo do eixo, foi desenhado o contorno da pea (figura 8) limitado pela linha de centro, que foi utilizada como eixo para aplicao da primeira feature: a revoluo em 360 da geometria base inicial.

Figura 6 - Teste funcional da bomba

Fonte: Ferreira (2004) [5]

Figura 7 - Dimenses originais do eixo

Fonte: Ferreira (2004) [5]

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Figura 8 - Geometria inicial feita no plano XY

Concluda a primeira feature, j tnhamos disponvel um corpo slido na nossa rea de trabalho para prosseguirmos com os demais recursos a fim de obtermos a pea com suas dimenses finais.

Figura 9 - Primeira feature da revoluo da geometria inicial

A prxima etapa foi a aplicao dos chanfros do eixo, conforme figura 9. No desenho original no estavam previstas as dimenses 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 dimetro.

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Figura 10 Aplicao das features dos chanfros

No projeto original de Ferreira (2004) [5], no haviam detalhes a respeito das duas pontas estriadas do eixo. Neste caso, adotamos o padro de estrias conforme a norma DIN 5480 com as medidas 32 mm X 2 mm X 14 dentre para o dimetro menor e 47 mm X 2 mm X 22 para o dimetro maior. No foi necessria a consulta norma original, j que o Autodesk Inventor 2010 [2] j possui uma biblioteca de parmetros 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 um recurso que executa uma srie de clculos para criar componentes mecnicos automaticamente, dentro das dimenses regidas pela norma indicada (CRUZ, 2009) [3].

Figura 11 - Estrias geradas pelo Design Accelerator do Autodesk Inventor 2010 [2]

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Aps a modelagem das estrias foi necessrio outro ajuste nas medidas originais do projeto. O software prev a usinagem residual causada pela sada da ferramenta que ir usinar as estrias da pea. Para o dimetro menor, o raio de 5 mm previsto no projeto no foi suficiente para evitar que a ferramenta removesse parte do material do eixo que no est relacionado com a estria (figura 12). Para corrigir este inconveniente foi necessrio alterar este raio para 7 mm, o que resultou em uma previso de usinagem da estria satisfatria, tendo em vista que no haveria remoo residual no desejada de material do eixo (figura 13).

Figura 12 - Detalhe do raio de sada da usinagem da estria com 5 mm

Figura 13 - Detalhe do raio de sada da usinagem da estria com 7 mm

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Concludo o modelamento do eixo, era necessrio aplicar o material e acabamento pea. O projeto original no definiu qual o material utilizado no eixo. Neste caso foi adotado a especificao Steel da biblioteca do software, referindo-se ao material Ao. A massa da pea, prevista pelo software, foi de 3,773 kg. Como acabamento foi adotado o Black Chrome e o modelo foi renderizado em perspectiva cnica, de forma a que o aspecto da imagem final fique o mais prximo possvel de uma imagem de um modelo real.

Figura 14 - Eixo renderizado em perspectiva cnica

6. CONCLUSO

Os diversos softwares CAD/CAE 3D disponveis no mercado esto sendo cada vez mais aceitos e adotados como ferramenta essencial de projeto mecnico nas mais diversas reas da engenharia. Os resultados parciais deste trabalho evidenciam que a escolha adequada de uma sequncia de modelamento, baseada na inteno do projeto, fazem diferena positivamente no resultado do projeto. A ausncia de informaes ou mesmo medidas que no geravam resultados satisfatrios foram facilmente detectados pelo software e facilmente corrigidos. O que facilitou estes ajustes foi a forma como a pea foi modelada, partindo de uma geometria em revoluo simples na qual foram inseridos, aos poucos, detalhes da pea final at o resultado alcanado.

O objetivo deste trabalho foi mostrar as facilidades e vantagens da utilizao deste tipo de ferramenta de projeto mecnico com a inteno de, em continuidade a esta pesquisa, seja utilizada para concluso do modelamento, montagem e simulao de todo o projeto desta bomba de pistes axiais swashplate. Agradecimentos

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Ao professores Dr. Luiz Eduardo Nicolini do Patrocnio Nunes e Dra. Valesca Alves Corra, que me orientaram na elaborao deste artigo. Aos demais docentes do Mestrado Profissional em Engenharia Mecnica, que auxiliaram direta e indiretamente nos resultados apresentados. REFERNCIAS [1] ABERDEEN GROUP. A transio do esboo 2D para a modelagem 3D: Relatrio de

Referncia. [s. L.]: Aberdeen Group, 2006. 33 p.

[2] AUTODESK. Autodesk Education Community. Disponvel em:

. Acesso em: 18 set. 2012

[3] CRUZ, Michele David da. Autodesk Inventor 2010: Prototipagem digital verso suite e

professional. So Paulo: rica, 2009. 368 p.

[4] DASSAULT SYSTMES SOLIDWORKS CORPORATION (Estados Unidos). SolidWorks

2011: Conceitos bsicos do SolidWorks. Concord: Dassault Systmes Solidworks Corporation,

2010. 502 p.

[5] FERREIRA, Larcio. Projeto e construo de uma bomba de pistes axiais swashplate.

2004. 119 f. Dissertao (Mestrado) - Universidade Estadual Paulista, Guaratinguet, 2004.

[6] FOGGIATTO, Jos Aguiomar; VOLPATO, Neri; BONTORIN, Ana Carolina Bueno.

Recomendaes para modelagem em sistemas CAD 3D. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE

ENGENHARIA DE FABRICAO, 4., 2007, Curitiba: UTFPR, 2007.

[7] SHIGLEY, Joseph E.; MISCHKE, Charles R.; BUDYNAS, Richard G.. Projeto de engenharia

mecnica. 7. ed. So Paulo: Bookman, 2005. 966 p.

[8] VILLERMANN, Marek. Global web search as a new marketing planning tool for CAD

vendors. Disponvel em: . Acesso em:

21 out. 2008.