recente desenvolvimento em ligas de alumínio para a indústria

Transcrição

EDUARDO VERGINIO ZORZETO JUNIOR
ESTUDO SOBRE FIXAÇÃO DE PEÇAS PLÁSTICAS POR MEIO DE
CLIPAGEM, FOCANDO EM RETENÇÃO, DURABILIDADE,
ERGONOMIA E CUSTO
São Paulo
2009
ERGONOMIA E CUSTO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à
Escola Politécnica da Universidade de São
Paulo para obtenção do Título de Mestre
Profissional em Engenharia Automotiva
São Paulo
2009
ERGONOMIA E CUSTO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à
Escola Politécnica da Universidade de São
Paulo para obtenção do Título de Mestre
Profissional em Engenharia Automotiva
Área de Concentração:
Engenharia Automotiva
Orientador:
Prof. Dr. Gilberto Francisco Martha de Souza
São Paulo
2009
FICHA CATALOGRÁFICA
Zorzeto Junior, Eduardo Verginio
Estudo sobre fixação de peças plásticas por meio
de clipagem, focando em retenção, durabilidade,
ergonomia e custo / E.V. Zorzeto Junior. -- São Paulo,
2009. 173p.
Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia Mecânica.
1. Engenharia automotiva 2. Plásticos (Durabilidade) 3. Resistência dos materiais 4. Método dos elementos finitos I. Universidade de São Paulo. Escola
Politécnica. Departamento de Engenharia Mecânica II.
t.
Aos meus pais e avós, que me
deram o amor e suporte necessários
para que eu pudesse me tornar uma
pessoa
melhor
e
sempre
me
encorajaram a superar meus próprios
limites.
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Gilberto Francisco Martha de
Souza, pela paciência, apoio e orientação que possibilitaram a conclusão
desse trabalho.
À Profa. Dra. Izabel Fernanda Machado, pela colaboração nos momentos
difíceis do inicio do trabalho.
À minha família, pela compreensão durante todas as dificuldades
surgidas nessa jornada de mais de 2 anos, pelo amor e pelo carinho.
À minha noiva, pela paciência, pelo apoio incondicional nos momentos
difíceis, por todo o suporte em pesquisas e pela compreensão nas horas de
ausência dedicadas á Poli, principalmente durante a conclusão deste trabalho.
Ao amigo André Souza, pelas discussões e suporte no andamento deste
trabalho, e pela compreensão nas partidas de basquete e cinemas
desmarcados.
Aos
meus
companheiros
de
trabalho
Gustavo
Poggetto,
André
Matsumoto, Filippo Santolia, Marcos Bianchi, Dante Vidotto, Vanessa Oliveira,
Denis Jordão, Luciano Catelan e Newton Silva, pelo suporte, direto ou indireto,
e pela amizade.
À General Motors do Brasil, pela oportunidade em realizar este trabalho.
Aos amigos, por sempre me manterem com os pés no chão, a afastar da
mente por breves momentos os problemas intermináveis.
À Escola Politécnica e seus funcionários, que sempre se mostram bem
dispostos a colaborar com nosso desenvolvimento acadêmico.
A todas as pessoas que me apoiaram e me aturaram durante a realização
deste trabalho.
A todos vocês, meus mais sinceros agradecimentos e o desejo que
colham todos os louros que têm sido plantados na vida de cada um de vocês.
Pensar nunca fez mal a ninguém.
RESUMO
O presente trabalho tem como objetivo apresentar um breve histórico sobre a
evolução da utilização de peças plásticas e clipes integrados em automóveis e a
criação de uma metodologia para o desenvolvimento ou melhoria de elementos de
fixação para peças plásticas, integrados à própria peça (clipes), abrangendo
requisitos de ergonomia, retenção, durabilidade, repetibilidade, manufaturabilidade,
aparência (para o caso de peças de acabamento) e custo, podendo ser aplicada a
qualquer estudo de clipes, seguida de um estudo de caso simples para demonstrar
sua utilização. A metodologia proposta se baseia na análise virtual, empregando o
Método dos Elementos Finitos, para entendimento da influência das características
físicas do clipe, individualmente e em conjunto, em seu desempenho, através da
comparação com um ―clipe-base‖, e permite gerar conhecimento para discussões da
eficiência do conceito do clipe e propostas de melhoria. É recomendada para ser
aplicada ainda na fase de projeto, onde modificações podem ser feitas ao produto
sem maiores impactos em custo e tempo.
Palavras-chave: Engenharia. Engenharia Automotiva. Clipes plásticos. Análise
Virtual. Elementos Finitos. Projeto. Metodologia.
ABSTRACT
The aim of this study is to present a brief history of the evolution of plastic parts
usage and integrated snap-fit features in vehicles, and the creation of a methodology
for the development or enhancement of attachment elements design for plastic parts,
integrated to the part itself, considering the requirements for ergonomics, retention,
durability, feasibility, appearance (for trim parts) and costs, to be applied in any snapfit feature study. It is followed by a case study, simple in its concept, to demonstrate
the methodology application. The proposed methodology is based on virtual analysis
(CAE), applying the Finite Elements Methodology, for a better understanding of each
physical characteristic’s influence, individually and in group, in the performance of the
attachments, through comparison to a ―base-clip‖, allowing acquisition of knowledge
for discussions on the efficiency of the snap-fit feature concept and improvements
proposals. The methodology is recommended to be applied in the early phases of a
project, when usually changes can be performed with little impact on costs and
timing.
Keywords: Engineering. Automotive Engineering. Snap-fit features. Plastic clips.
Virtual Analysis. Finite Elements. Project. Methodology.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura ‎1.1 - Exemplo de seção (corte) com marca de ―chupagem‖ ............................................ 16
Figura ‎1.2 - Exemplo de marcas de ―chupagem‖ ................................................................... 16
Figura ‎2.1 - Painel de instrumentos do Honda Civic 2007
....................................................... 22
Figura ‎2.2 - Componentes plásticos na caçamba – Nissan Titan 2008 ...................................... 22
Figura ‎2.3 - Paralamas plástico – Renault Clio 2006 .............................................................. 23
Figura ‎2.4 - Moldura da caixa de roda plástica – Toyota Hilux 2004 .......................................... 23
Figura ‎2.5 - Conjunto de acessórios plásticos – Peugeot 206 Escapade 2006 ............................ 23
Figura ‎2.6 - Caçamba em SMC – Ford Sport Track 2007 ........................................................ 23
Figura ‎2.7 - Moldura de farol ............................................................................................. 25
Figura ‎2.8 - Molduras superiores da caçamba – Toyota Tundra 2007 ........................................ 26
Figura ‎2.9 - Molduras superiores da caçamba – Hummer H3T 2009.......................................... 26
Figura ‎2.10 - Exemplos de diferentes cabeças de parafusos
................................................... 27
Figura ‎2.11 - Exemplos de parafusos auto-atarrachantes........................................................ 28
Figura ‎2.12 - Exemplo de união por rebite ........................................................................... 28
Figura ‎2.13 - Exemplos de rebites...................................................................................... 29
Figura ‎2.14 - Exemplos de cabeças de rebites após aplicação ................................................. 29
Figura ‎2.15 - Exemplos de trava-mola e aplicação ................................................................ 30
Figura ‎2.16 - Exemplo de solda por ultrassom ...................................................................... 31
Figura ‎2.17 - Exemplo de união por ―Ultrasonic Staking‖ ......................................................... 31
Figura ‎2.18 - Exemplos de tipos de encaixe ......................................................................... 33
Figura ‎2.19 - Exemplos de diferentes tipos de fixação na peça
................................................ 33
Figura ‎2.20 - Seqüência de encaixe de um clipe ................................................................... 33
Figura ‎2.21 - Exemplo de clipe integrado simples .................................................................. 34
Figura ‎2.22 - Exemplo de clipe para uma única montagem (a) e desmontagens (b, c & d)
............. 34
Figura ‎2.23 - Exemplos de clipes antes e depois da montagem ................................................ 35
Figura ‎3.1 - Exemplo de Molde de Injeção ........................................................................... 41
Figura ‎3.2 - Exemplo de Processo de Injeção ....................................................................... 41
Figura ‎3.3 - Exemplo de Gráfico para Resfriamento Natural .................................................... 42
Figura ‎3.4 - Exemplo de Gráfico para Resfriamento por circulação de água ................................ 42
Figura ‎3.5 - Exemplo detalhado de um molde ....................................................................... 43
Figura ‎3.6 - Exemplo de molde com partes móveis ................................................................ 43
Figura ‎3.7 - Exemplo de estudo de ―MOLD FLOW‖ ................................................................ 44
Figura ‎3.8 - Exemplo de entradas e saídas de dutos de refrigeração ......................................... 46
Figura ‎3.9 - Exemplo de composições incorreta e correta de dutos de refrigeração ..................... 47
Figura ‎3.10 - Exemplo de projeto sem contra-saídas.............................................................. 47
Figura ‎3.11 - Exemplo de projeto com contra-saídas.............................................................. 48
Figura ‎3.12 - Exemplo de projeto com ―Lifters‖
..................................................................... 48
Figura ‎3.13 - Exemplos da necessidade de atuadores ............................................................ 49
Figura ‎4.1 - A ―evolução‖ do homem (Fonte: UnB) ................................................................. 50
Figura ‎4.2 - Exemplo de parâmetros necessários para cálculo do esforço de montagem do clipe .... 59
Figura ‎4.3 - Exemplo de parâmetros necessários para cálculo do esforço de montagem do clipe .... 59
Figura ‎4.4 - Exemplo de peça com problemas de projeto e projeto melhorado. ............................ 62
Figura ‎4.5 - Exemplo de peça com acumulo de massa ........................................................... 63
Figura ‎5.1 - Fluxograma com a metodologia proposta ............................................................ 65
Figura ‎6.1 - Conceito de clipe selecionado ........................................................................... 82
Figura ‎6.2 - Movimento de encaixe do conceito de clipe selecionado: ........................................ 83
Figura ‎6.3 - Ângulos de convite e retenção do conceito de clipe selecionado .............................. 83
Figura ‎6.4 - Relação entre espessuras para garantir aparência desejada ................................... 84
Figura ‎6.5 - Distância mínima para garantir que clipe seja manufaturável ................................... 85
Figura ‎6.6 - Dimensões das espessuras do clipe................................................................... 87
Figura ‎6.7 - Dimensões para o encaixe do clipe .................................................................... 87
Figura ‎6.8 - Dimensões dos ângulos de convite e retenção do clipe .......................................... 88
Figura ‎6.9 - Contato e Diagramas de Corpo Livre .................................................................. 91
Figura ‎6.10 - Forças nas direções de interesse ..................................................................... 91
Figura ‎6.11 - Decomposição das forças .............................................................................. 92
Figura ‎6.12 - Acúmulo de tensão nos nós da parede lateral ..................................................... 94
Figura ‎6.13 - Dimensões do Modelo Virtual Sólido do Clipe-Base ............................................. 95
Figura ‎6.14 - Requisito de mínimo de duas fileiras de elementos na lateral do clipe ...................... 96
Figura ‎6.15 - Malha com elementos Tetraédricos de segunda ordem de aresta 0,55 mm ............... 97
Figura ‎6.16 - Malha com restrições e forças aplicadas
........................................................... 98
Figura ‎6.17 - Tensões Equivalentes - Critério de von Mises ..................................................... 99
Figura ‎6.18 - Detalhe das Tensões
.................................................................................. 100
Figura ‎6.19 - Magnitude das Deformações
........................................................................ 101
Figura ‎6.20 - Deformações na direção Y (da força D) ........................................................... 101
Figura ‎6.21 - Fator Multiplicador e componentes de força que serão multiplicados ..................... 103
......................................................... 103
Figura ‎6.23 - Tensões Equivalentes - Critério de von Mises ................................................... 104
......................................................... 106
Figura ‎6.27 - Detalhe das Tensões
.................................................................................. 108
Figura ‎6.28 - Magnitude das Deformações
........................................................................ 108
Figura ‎6.30 - Fator Multiplicador e componentes de força que serão multiplicados ..................... 110
......................................................... 110
Figura ‎6.34 - Dimensões passíveis de alteração ................................................................. 114
Figura ‎6.35 - Nervuras na parte interna do clipe .................................................................. 114
Figura ‎6.36 - Corpo do clipe com seção variável ................................................................. 114
Figura ‎6.37 - Raios na base do clipe
................................................................................ 115
Figura ‎6.38 - Clipe com seção curva
................................................................................ 115
Figura ‎6.39 - Raio no vértice do encaixe
........................................................................... 115
Figura ‎6.40 - Modelo virtual sólido com alteração 1
............................................................. 117
Figura ‎6.41 - Nova malha gerada e aplicação de forças e restrições
....................................... 118
Figura ‎6.44 - Forças e restrições aplicadas ........................................................................ 121
....................................... 123
Figura ‎6.53 - Modelo virtual sólido com alteração do ângulo de retenção
................................. 129
....................................... 129
Figura ‎6.57 - Forças e restrições aplicadas corrigidas .......................................................... 132
....................................... 134
Figura ‎6.66 - Modelo virtual sólido com alteração na largura do clipe ....................................... 140
....................................... 141
....................................... 146
Figura ‎6.79 - Novo Modelo virtual sólido ............................................................................ 154
....................................... 155
Figura ‎6.81 - Tensões Equivalentes na região interna - Critério de von Mises
........................... 156
Figura ‎6.85 - Deformações no clipe .................................................................................. 159
....................................... 160
Figura ‎6.87 – Tensões Equivalentes na face externa - Critério de von Mises ............................. 161
Figura ‎6.88 – Tensões Equivalentes na face interna - Critério de von Mises
............................. 162
Figura ‎6.91 - Tensões Equivalentes na face externa - Critério de von Mises ............................. 163
Figura ‎6.92 - Tensões Equivalentes na face interna - Critério de von Mises .............................. 164
Figura ‎6.93 - Deformações no clipe .................................................................................. 164
Figura ‎6.94 - Terceira peça travando clipe ......................................................................... 166
Figura ‎6.95 - Contra-peça com aba forçando clipe............................................................... 167
LISTA DE TABELAS
Tabela ‎5.1 - Exemplo de tabela comparativa ........................................................................ 78
Tabela ‎6.1 - Avaliação de diferentes refinamentos de malha
................................................... 97
Tabela ‎6.2 - Parâmetros de Inserção ................................................................................ 102
Tabela ‎6.3 - Parâmetros de Inserção corrigida
Tabela ‎6.4 - Parâmetros de Retenção
................................................................... 105
.............................................................................. 109
Tabela ‎6.5 - Parâmetros de Retenção corrigidos ................................................................. 113
Tabela ‎6.6 - Valores utilizados na análise de inserção .......................................................... 118
Tabela ‎6.7 - Valores corrigidos na análise de inserção ......................................................... 120
Tabela ‎6.8 - Valores utilizados na análise de retenção ......................................................... 124
Tabela ‎6.9 - Valores corrigidos na análise de retenção ......................................................... 126
Tabela ‎6.10 - Valores utilizados na análise de inserção ........................................................ 130
Tabela ‎6.11 - Valores corrigidos na análise de inserção
....................................................... 131
Tabela ‎6.12 - Valores utilizados na análise de retenção ........................................................ 134
Tabela ‎6.13 - Valores corrigidos na análise de retenção ....................................................... 136
....................................................... 143
Tabela ‎6.16 - Valores utilizados na análise de retenção ........................................................ 146
Tabela ‎6.17 - Valores corrigidos na análise de retenção ....................................................... 148
Tabela ‎6.18 - Tabela comparativa .................................................................................... 151
....................................................... 157
Tabela ‎6.21 - Valores utilizados na análise de retenção........................................................ 161
....................................................... 162
Tabela ‎6.23 - Comparação dos valores obtidos, estimados e requisitos ................................... 165
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
LISTA DE TABELAS
INTRODUÇÃO ............................................................................................ 15
1.
1.1.
2.
Objetivo .................................................................................................. 17
LITERATURA E ATUALIDADES
.................................................................... 19
2.1.
Utilização de plásticos em automóveis .......................................................... 19
2.2.
Utilização de clipes em peças plásticas ......................................................... 24
2.3.
Tipos de Fixação ...................................................................................... 26
2.3.1.
Fixações Mecânicas .............................................................................. 27
2.3.1.1.
Parafusos ........................................................................................ 27
2.3.1.2.
Rebites............................................................................................ 28
2.3.2.
Travas-mola ......................................................................................... 30
2.3.3.
Uniões por Ultrassom ............................................................................. 30
2.3.4.
Fixação por Clipagem ............................................................................ 31
2.3.4.1.
Clipes Encaixados ............................................................................. 32
2.3.4.2.
Clipes Integrados
3.
.............................................................................. 33
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
...................................................................... 36
.................................................................................. 36
3.1.
Seleção de Material
3.2.
Método dos Elementos Finitos ..................................................................... 38
3.3.
Moldes e Injetoras
.................................................................................... 40
REQUISITOS .............................................................................................. 50
4.
4.1.
Ergonomia .............................................................................................. 50
4.2.
Retenção ................................................................................................ 57
4.3.
Relação ergonomia e retenção para clipes plásticos integrados .......................... 58
4.4.
Durabilidade ............................................................................................ 60
4.5.
Manufaturabilidade dos clipes
..................................................................... 61
5.
METODOLOGIA PROPOSTA ........................................................................ 64
6.
ESTUDO DE CASO ...................................................................................... 82
7.
CONCLUSÕES E CONTINUIDADE DO TRABALHO ........................................ 168
8.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................... 170
15
1. INTRODUÇÃO
Com o passar dos anos, a quantidade de peças plásticas em automóveis têm
aumentado consideravelmente. O que no início do século passado, e início da
indústria automotiva, era apenas geralmente decorativo e pouco utilizado, passa a
ser visto hoje como um fator de diferencial de competitividade, visto que a
substituição por peças plásticas (onde possível) tende a reduzir custos e a massa do
veículo, além de permitir maior liberdade criativa para a aparência da peça, seja em
peças de acabamento interno e externo, ou mesmo em componentes do motor ou
peças que sofrem maiores carregamentos.
Atualmente a utilização de peças plásticas possibilita o uso de formas bastante
complexas,
relativamente
leves,
e
cada
vez
mais
resistentes.
Com
o
desenvolvimento de novos processos, materiais e ferramentas, atualmente utiliza-se
plástico desde simples manoplas ou componentes decorativos a elementos com
maior exigência mecânica ou térmica, como um pára-choque, uma calota ou mesmo
componentes de um radiador, sem perder em confiabilidade ou resistência, postos
antigamente ocupados por peças metálicas ou outros materiais.
Uma peça de formato mais complexo exige um ferramental (molde de injeção)
mais complexo também, e por isso mais caro, porém geralmente não afeta o valor
da peça propriamente dita (que irá compor o preço final do carro), pois o que vai
definir seu valor (preço) será, basicamente, a quantidade de material utilizado e o
tempo gasto na produção da peças - ciclo de injeção, sub-montagens, inspeção e
embalagem, por exemplo; a complexidade da ferramenta é paga apenas uma vez, e
não é considerada como um custo no carro, e sim parte do investimento. Para o
caso de peças que não ficarão visíveis ao consumidor, tem-se mais liberdade no
projeto da peça e da ferramenta, uma vez que linhas de fechamento, marcas de
fluxo ou marcas de ―chupagem‖ (depressão na superfície da peça plástica causada
durante o processo de resfriamento) não são considerados problemas; pode-se ser
menos exigente com certas falhas (menores) na aparência em casos como esse,
mas nunca comprometendo sua função e qualidade.
No desenvolvimento de peças em geral, não apenas plásticas, um fator
importante a ser considerado é como ela será fixada ao veículo. Para citar alguns
16
apenas, a peça pode ser parafusada ao veículo (utilizando-se, obviamente,
parafusos, porcas ou prisioneiros), soldadas (para o caso de peças metálicas),
rebitadas, utilizando-se clipes plásticos (sejam eles peças separadas adicionadas
durante o processo de montagem ou parte integrante da peça, moldado durante a
injeção da mesma).
Figura 1.1 - Exemplo de seção (corte) com marca de ―chupagem‖
Figura 1.2 - Exemplo de marcas de ―chupagem‖
Cada um dos métodos mencionados acima tem suas particularidades e
requisitos a serem considerados durante o projeto, que fatalmente afetam a
Engenharia de Manufatura (responsável pela montagem do veículo) e o consumidor
final (custo e aparência). São elas:
17
- utilização de peças adicionais (como porca ou parafusos), chamada de
fixação positiva, gerando a necessidade de estoque, além de espaço na linha de
montagem e aumento do tempo padrão da operação de montagem e custo no
veículo;
- necessidade de equipamentos para realizar a montagem (no caso de uma
apertadeira ou rebitadeira, quando utilizando fixação positiva, ou forno e algum
dispositivo para aplicação de pressão, no caso de fita adesiva), aumentando o
tempo padrão da montagem e possivelmente necessitando de investimento;
- exigir tempo maior de montagem (caso necessite de ferramenta ou utilize
peças separadas);
- necessitar de um ferramental mais complexo para a fabricação da peça
(aumentando o custo e o tempo de fabricação da ferramenta);
- aparência, no caso de peças de acabamento (elementos de fixação aparentes
quando não vislumbrados pelo grupo de ―Design‖, ou causando marcas na parte
visível da peça);
- dependência da variação dimensional (exigindo tolerâncias mais apertadas
para funcionar, e geralmente encarecendo o produto) e variação térmica;
- atender ergonomia, seja na posição de montagem, seja no esforço realizado
pelo operador para realizar a montagem;
- retenção mínima e resistência a carregamentos;
- efeitos da expansão/retração térmica para a montagem e aparência.
1.1. Objetivo
O presente trabalho foca em dois dos principais fatores competitivos no setor
automotivo, cada vez mais acirrado devido à globalização e abertura de mercados,
que são custo para o consumidor e aparência. Nessa direção o objeto de estudo
escolhido é aquele que não necessita de peças adicionais ou equipamentos durante
a montagem, tem seu tempo padrão e estoque reduzido, e, no caso de ser uma
peça de acabamento, passar despercebido pelo consumidor, mantendo sua
integridade durante a vida útil do veículo.
18
O objetivo do presente trabalho é discutir sobre a criação de uma metodologia
para o desenvolvimento de elementos de fixação para peças plásticas integrados à
própria peça (clipes), atendendo os requisitos de ergonomia, retenção, durabilidade,
variação térmica, repetibilidade, manufaturabilidade e aparência (para o caso de
peças de acabamento), realizando estudo para entendimento de como as
características dimensionais do clipe influenciam seu desempenho, através da
comparação.
19
2. LITERATURA E ATUALIDADES
2.1. Utilização de plásticos em automóveis
Antes da invenção do plástico, as únicas substâncias que podiam ser moldadas
eram a argila (cerâmica) e o vidro. Argila e vidro endurecidos eram utilizados para
armazenar, mas eram pesados e frágeis. Algumas substâncias naturais, como látex
de seringueira e borracha, eram viscosas e moldáveis. A borracha não era muito útil
para armazenar, pois acabava perdendo a capacidade de voltar ao formato original e
ficava viscosa quando aquecida.
Os plásticos são materiais sintéticos produzidos a partir de matérias químicas
básicas chamadas monômeros. São formados pela união de grandes cadeias
moleculares, os polímeros. Do grego, poli, que significa muitas, e mero, partes.
Polímeros podem ser classificados em naturais e sintéticos. Os sintéticos são
produzidos industrialmente e dão origem aos plásticos. Os polímeros naturais podem
ser encontrados em plantas e animais. A madeira, o algodão e o látex são alguns
deles.
O plástico tem infinitas possibilidades de utilização, é um material higiênico e
asséptico, é um bom isolante térmico, é um material leve e resistente, é flexível e
maleável, é durável, reutilizável e reciclável.
O primeiro plástico feito pelo homem, segundo o site About.com: Inventors, foi
criado por Alexander Parkes, e demonstrado publicamente em 1862 em Londres, na
Great International Exhibition. Foi batizado Parkesina, e era um material orgânico
derivado da celulose, que podia ser moldado quando aquecido, e mantinha sua
forma ao ser resfriado. O material era utilizado em estado sólido e tinha como
características principais flexibilidade, resistência a água, cor opaca e fácil pintura.
A seguir é apresentada uma linha do tempo no desenvolvimento dos plásticos,
segundo a ABIQUIM (2009):
1838 - O francês Victor Regnault polimeriza o cloreto de vinila (PVC) com
auxílio de luz solar.
1839 - O norte-americano Charles Goodyear descobre a vulcanização da
borracha natural, possibilitando o uso desse material.
20
1835-1900 - São desenvolvidos derivados de celulose como o nitrato de
celulose, a celulóide, fibras de viscose rayon, entre outros.
1898 - Os químicos Einhor e Bischoff descobrem, por acaso, o policarbonato,
que seria desenvolvido apenas em 1950.
1907 - O norte-americano Leo Hendrik Baekeland sintetiza resinas de fenolformaldeído, que ficariam conhecidas como baquelites. O baquelite é o primeiro
plástico totalmente sintético que surge em escala comercial.
1920-1950 - Neste período, são desenvolvidos os polímeros: policloreto de
vinila (PVC), polimetacrilato de metila (PMMA), poliestireno (PS), nylon, polietileno,
silicone, poliuretano, acrinolitrina butadieno estireno (ABS) e poliéster, além de fibras
sintéticas de poliéster e acrílico, entre outros.
1924 - São criadas as fibras de acetato de celulose.
1950 - Os anos 50 são marcados pela popularização da tecnologia de
polímeros e pelo surgimento do polipropileno, espumas de poliuretano, polietileno
linear, poliacetais e policarbonatos.
1960 em diante - Surgem os plásticos de engenharia, materiais de alto
desempenho com diversas aplicações. Também são desenvolvidos, a partir da
engenharia de macromoléculas, os elastômeros termoplásticos, além de tanques de
combustível e sacos de supermercado feitos em polietileno de alta densidade
(PEAD), lentes de contato flexíveis e garrafas de polietileno tereftalato (PET).
Principais tipos de polímeros plásticos:
HIPS - Poliestireno Alto Impacto
GPPS - Poliestireno Cristal
PP - Polipropileno
PEAD - Polietileno de Alta Densidade
PEBD - Polietileno de Baixa Densidade
PET - Polietileno Tereftalato
PC - Policarbonato
PU - Poliuretano
PVC - Policloreto de Vinila
ABS - Acrinolitrina Butadieno Estireno
21
Hoje o plástico é utilizado nas mais variadas aplicações, como em
eletrodomésticos (máquinas de lavar roupa, batedeiras, liquidificadores, geladeiras),
eletrônicos (TVs, controles remotos, celulares), construção civil (plugues e tomadas,
caixilhos, armários), mesas e cadeiras, acabamento e painéis em meios de
transportes como aviões, navios, carros e metrôs, canetas, implantes médicos,
filmes e sacolas, entre inúmeros outros.
Segundo Ram (1997), durante 54 anos (de 1940 a 1994), a capacidade de
produção de plásticos nos EUA cresceu de 45,000 toneladas para 36 milhões de
toneladas por ano. O consumo global atingiu cerca de 110 milhões de toneladas (em
torno de US$ 200 bilhões) em 1994, e a tendência de crescimento continuou.
Para a indústria automobilística, segundo Maxwell (1994), grandes vantagens
na utilização do plástico em substituição a outros materiais, principalmente metais
são: resistência a UV, pintura, estabilidade dimensional, resistência ao impacto,
redução de massa, que contribui para o consumo de combustível e desempenho do
veículo, possibilitar formas complexas e modificações mais rápidas nas ferramentas.
No inicio da fabricação dos automóveis pouco se entendia sobre a manipulação
de plásticos, logo, poucas peças plásticas eram utilizadas.
Desde que os produtores de automóveis se interessaram pela substituição de
peças de metal por outras semelhantes de plástico, há cerca de 30 anos, a parceria
entre polímeros sintéticos e veículos só cresce.
Nos últimos trinta anos, segundo PLÁSTICO MODERNO ONLINE (2009), a
porcentagem de plásticos nos automóveis cresceu de 5% para mais de 15% em
peso. Além de reduzir o peso dos veículos, a utilização do plástico proporcionou um
aumento na segurança, conforto e flexibilidade aos carros. Por outro lado, novos
desafios se apresentam na atualidade, como o esgotamento iminente das reservas
mundiais de petróleo, que estima-se que podem terminar até a metade do século.
Além de principal fonte de combustível para os automóveis, o petróleo também é a
principal matéria-prima para a produção de termoplásticos.
Segundo Candido et al. (2006), no Brasil, no fim da década de 80, os veículos
nacionais utilizavam em média 30 kg de plásticos. Essa média aumentou para 60 a
90 kg em 2002, sendo 63% em componentes do interior do veículo, 15% de
componentes externos, 9% no compartimento do motor, 8% no sistema elétrico e 5%
no chassis.
22
Hoje, as mais diversas peças de um carro são feitas de plástico. Peças
grandes como pára-choques, revestimentos internos da lateral de portas, painéis
interiores e consoles são aplicações presentes em quase todos os veículos que
circulam nas ruas. É mostrado na figura 2.1 os componentes do painel de
instrumentos do Honda Civic 2007, onde cerca de 60% dos componentes são
plásticos.
Figura 2.1 - Painel de instrumentos do Honda Civic 2007
Outros exemplos de peças plásticas muito comuns em veículos são: Aerofólios,
molduras de porta, protetores de caçamba, molduras da caçamba, molduras da
caixa de roda, entradas e saídas de ar, faróis e lanternas, grades frontais,
emblemas, peças de interior (coberturas, porta-trecos, console), pedal do acelerador,
itens do motor (tampa do comando de válvula, capa do motor, reservatórios de
fluidos, defletores de ar, capa da bateria), filtros (de ar, de combustível), retrovisores,
maçanetas, mangueiras, tanques de combustível, triângulo de segurança, tampa de
combustível e componentes do teto solar (defletores, canaletas).
Figura 2.2 - Componentes plásticos na caçamba – Nissan Titan 2008
23
Alguns exemplos mais particulares são:
- Páralama dianteiro em PA6.6+PPE: Renault Clio
Figura 2.3 - Paralamas plástico – Renault Clio 2006
- Moldura da caixa de roda: Toyota Hilux
Figura 2.4 - Moldura da caixa de roda plástica – Toyota Hilux 2004
- Conjunto de acessórios com apelo esportivo ou aventureiro: Peugeot 206
Escapade 2006
Figura 2.5 - Conjunto de acessórios plásticos – Peugeot 206 Escapade 2006
- Caçamba em SMC (sheet-molded composite - mantas de compostos
moldáveis): Ford Sport Track 2007
Figura 2.6 - Caçamba em SMC – Ford Sport Track 2007
24
- Tampa do porta-malas em SMC: Fiat Tipo e Fiat Tempra
- Carrocerias em fibra de vidro: Réplicas e Gurgel
A caçamba em SMC é utilizada pela Ford e pela Toyota, e dizem os executivos
das duas montadoras que isso torna a caçamba de 10 a 20% mais leve que as
caçambas de aço, e o custo de ferramenta é cerca de 50% menor, além de ser mais
robusta e durável.
Dentre os plásticos presentes em automóveis, os compostos de polipropileno
(PP) aparecem com a maior participação: 8% do peso do veículo. A poliamida (PA),
em segundo lugar, e outros materiais, como a blenda policarbonato/acrilonitrilabutadieno-estireno (PC/ABS), poliacetal (ou polióxido de metileno, POM), e
polibutileno tereftalato (PBT) somam entre 0,5% a 1% do peso do carro. O valor
absoluto das participações de cada plástico, no entanto, é um número de difícil
obtenção, e varia com os modelos de carros, os mercados onde são vendidos e as
montadoras. A maior parte dos automóveis possui entre 12 kg e 30 kg de plásticos
de engenharia. Na Europa, onde a filosofia de substituição está estabelecida a mais
tempo, o conteúdo plástico se aproxima dos 30 kg. Nos EUA, onde os carros, as
demandas estruturais e os motores são maiores, e na América Latina, onde o
mercado ainda precisa evoluir em volumes e aplicações, estima-se que a
participação seja mais próxima do limite inferior.
De maneira geral, segundo Maxwell (1994), peças externas devem atender a
ambas as necessidades de funcionalidade e estilo. Uma peça funcional externa deve
apresentar boa aparência, e mesmo uma peça enorme decorativa como uma
moldura externa tem também função de proteção.
2.2. Utilização de clipes em peças plásticas
Dentre os diversos tipos de fixação possíveis para peças plásticas, a utilização
de clipes é uma das mais comuns.
Segundo Troughton (2008), as vantagens da fixação por clipes são não
necessitarem da introdução de material adicional, como adesivos ou parafusos,
25
tornando-os mais baratos e fáceis de montar, aumentando a produtividade (até 60
peças por minuto), e, em muitos casos, custos mínimos de ferramental. Esse tipo de
fixação também é muito bom para junção de materiais diferentes, como metais e
plásticos, podendo ser projetado para união permanente ou desmontagens
repetidas. Por outro lado, esse tipo de fixação é suscetível a fratura por fadiga, não
permite conserto, e pode ser afetado por variações térmicas, absorção de umidade e
efeitos ambientais.
Diversas peças plásticas utilizam esse tipo de fixação, como por exemplo, nas
tampas de componentes elétricos, como celulares e controles remotos, ou painéis de
acabamento diversos, como em armários ou painéis de controle.
Na indústria automotiva seu uso também é bem freqüente, tanto para itens de
aparência quanto para itens que também apresentam requisitos de carregamento.
Exemplos de itens que utilizam fixação por clipes, mais voltados para
aparência, são emblemas e molduras de farol, como mostrado na figura 2.7.
Figura 2.7 - Moldura de farol
Já no caso de peças fixadas por meio de clipes que devem atender a requisitos
de carregamento, um exemplo é a moldura superior da caçamba, presente em pick
ups como a Toyota Tundra, como mostrado na figura 2.8, e o Hummer H3T, como
mostrado na figura 2.9. Uma mesma moldura, no caso da Tundra, possui dois tipos
diferentes de clipes, com posições diferentes e funções diferentes.
26
Figura 2.8 - Molduras superiores da caçamba – Toyota Tundra 2007
Figura 2.9 - Molduras superiores da caçamba – Hummer H3T 2009
2.3. Tipos de Fixação
A seguir, serão apresentadas as maneiras mais comuns de fixação, com suas
vantagens e desvantagens, focando em sua utilização no universo de peças
plásticas.
27
2.3.1. Fixações Mecânicas
Fixações mecânicas, como parafusos e rebites, oferecem um dos métodos de
união mais baratos, confiáveis e comumente utilizados para uniões que precisam ser
desmontadas inúmeras vezes.
2.3.1.1.Parafusos
A fixação por parafuso é o tipo de fixação mais comum encontrado na indústria,
sendo considerado um dos mais simples, versáteis e seguros.
Sua aplicação não requer caracteríscas complexas na peça que será fixada;
geralmente apenas é necessário que haja um furo na mesma para que o parafuso
possa atravessá-la, e alcançar a contra-peça.
Existem diversos tipos de parafusos, com ou sem arruelas, e diferentes tipos de
roscas e cabeças de parafuso. Cada uma delas projetada para um tipo de aplicação
(como material das peças envolvidas, cargas aplicadas, ferramentas disponíveis e
ergonomia), o que não será aprofundado no presente trabalho.
Figura 2.10 - Exemplos de diferentes cabeças de parafusos
É um tipo de união que pode suportar grandes cargas, preferencialmente axiais,
pois o tamanho do parafuso e a quantidade a ser utilizada pode ser considerada
ilimitada, desde que viável no projeto.
Por outro lado, é uma método que requer a utilização de uma ferramenta para
aperto (apertadeira), e consequentemente uma apertadeira reserva e uma linha de
energia elétrica ou pneumática, além de aumentar o número de operações e tempo
padrão em uma linha de montagem, pois o operador terá que se dirigir até onde o
28
parafuso se encontra, selecionar o parafuso correto e a quantidade, e retornar ao
local de aplicação, além de espaço para armazenamento, tanto dos parafusos
quanto das apertadeiras na linha. Tudo isso significa investimento, adição de custo
sem valor agregado ao produto e maior manutenção.
E se por um lado a peça a ser fixada pode ser simplificada, o mesmo geralmente
não se pode dizer da contra-peça, à qual normalmente adiciona-se uma porca para
trabalhar junto ao parafuso. Essa porca pode ser parte da contra-peça (por exemplo
por sobre-injeção ou inserto metálico, no caso de plásticos, ou solda, no caso de
metálicos), pode ser travada pelo lado oposto (com outra apertadeira ou dispositivo)
ou, para o caso da desmontagem não ser frequente, a rosca ser moldada na contrapeça ou feita na contra-peça durante a montagem, pela rosca do próprio parafuso,
chamado auto-atarrachante, o que exige que haja um furo na contra-peça e um
maior controle dimensional sobre ele. Novamente, investimento.
Figura 2.11 - Exemplos de parafusos auto-atarrachantes
2.3.1.2. Rebites
O rebite é um tipo de fixação de simples instalação e de baixo custo, que pode
ser facilmente automatizado. É utilizado para a união de materiais de seção fina,
recomendado para união entre peças plásticas, peças plásticas e folhas de metal ou
tecidos.
Figura 2.12 - Exemplo de união por rebite
29
Um rebite compõe-se de um corpo em forma de eixo cilíndrico e de uma cabeça,
que pode ter vários formatos.
Os rebites variam de tamanho, material, e forma, de acordo com sua
necessidade. São tubulares, semitubulares, ou maciços com cabeça chata, redonda
ou oval.
Figura 2.13 - Exemplos de rebites
Como na aplicação de parafuso, a peça a ser fixada também não requer
caracteríscas complexas, apenas um furo é necessário, e neste caso, o mesmo
pode-se dizer da contra-peça.
Possui algumas das mesmas desvantagens da aplicação do parafuso, como a
utilização de uma ferramenta de rebite (rebitadeira), e consequentemente uma
rebitadeira reserva e uma linha de energia elétrica ou pneumática, o aumento do
número de operações, do tempo padrão em uma linha de montagem e do espaço
para armazenamento - investimento, adição de custo sem valor agregado ao produto
e maior manutenção; porém não suporta tanta carga aplicada quanto um parafuso,
além de que sua desmontagem significa sua remoção (com a utilização de uma
furadeira por exemplo), e colocação de um rebite novo, sendo que deve haver
acesso para a retirada do rebite retirado.
Dependendo do tipo de cabeça utilizado, pode-se ter um acabamento discreto,
dada a altura da cabeça e a aparência que se deseja.
Figura 2.14 - Exemplos de cabeças de rebites após aplicação
30
2.3.2. Travas-mola
Para o caso de uniões com baixos carregamentos, um tipo de fixação bastante
utilizado é a chamada trava-mola.
É um tipo de fixação auto-travante, onde a fixação ocorre por interferência
entre um macho ou pino guia na peça e a trava mola, formando um ―sanduíche‖ com
a contra-peça, a qual necessita de um furo para que o pino guia da peça a ser fixada
possa passar.
Figura 2.15 - Exemplos de trava-mola e aplicação
A trava-mola é então inserida no pino guia, forçada até que não haja espaços
entre as peças do conjunto. Não é recomendada para conjuntos que necessitem de
desmontagem.
2.3.3. Uniões por Ultrassom
A união por ultrassom é um método muito comum e excelente para a união de
peças plásticas, principalmente entre os chamados termoplásticos, de forma
permanente e com bom acabamento. Ela consiste na utilização de vibração
mecânica de alta freqüência para fundir as superfícies em contato.
Esse processo requer ferramentas especificas e dispositivos, sendo de difícil
adaptação para outras atividades, o que a torna pouco versátil e cara, podendo-se
tornar inviável para o caso de peças grandes, requerindo altos investimentos, e,
consequentemente, grandes volumes de produção.
31
Uma das variações desse tipo de união é a solda por ultrassom, na qual a peça
apresenta ―pontas‖ ou ―cantos‖ em formato triangular, que será fundido em contato
com a superfície da contra-peça, por vibração, unindo ambas.
Figura 2.16 - Exemplo de solda por ultrassom
Para melhores resultados, recomenda-se muito cuidado na seleção dos
materiais a serem utilizados, sendo que a utilização de materiais compostos pela
mesma resina apresenta os melhores resultados.
Outro método de união por ultrassom é o chamado ―Ultrasonic Staking‖, que
consiste em fundir a superfície no topo de um pino guia, que está atravessando a
contra-peça, através de um elemento especialmente desenhado, formando uma
cabeça que trava os dois componentes juntos, que pode se assemelhar a um rebite.
Figura 2.17 - Exemplo de união por ―Ultrasonic Staking‖
2.3.4. Fixação por Clipagem
É um método de união entre peças que busca eliminar a necessidade do uso
de qualquer ferramenta ou elementos soltos adicionais, durante a montagem,
32
reduzindo assim investimentos e espaço na linha de montagem, tempo de
montagem (atividades que não agregam valor) e possibilidade de falha humana.
Nesse tipo de fixação a união é feita através de clipes, geralmente plásticos,
integrados à peça ou sub-montados (encaixados) antes de a peça chegar à linha de
produção, onde o operador limita-se a localizar a peça corretamente na contra-peça
e pressionar em direção à mesma. É um método muito interessante para ser
aplicado em linhas de montagem final, especialmente em peças maiores, que
exigem um grande número de elementos de fixação.
O grande desafio quando se projeta esse tipo de união é manter o equilíbrio
necessário entre a força de inserção dos clipes (mínima) e a força de retenção dos
mesmos (máxima).
2.3.4.1.Clipes Encaixados
Nesse conceito utilizam-se clipes que são fabricados separadamente da peça
principal, definindo-se um método de fixar esses clipes à peça, geralmente uma submontagem que antecede a ida da peça à linha de montagem.
Por ser independente da peça na qual será utilizado, existe mais liberdade no
projeto do clipe, principalmente para atingir a relação apropriada entre força de
inserção e retenção. Por exemplo, o material do clipe não necessariamente precisa
ser o mesmo da peça principal, o que permite trabalhar com plásticos considerados
estruturais, sem preocupação com aparência; e, por ser fabricado em uma
ferramenta (molde) diferente da peça principal, não necessita de movimentos
secundários ou atuadores complexos adicionados na ferramenta da peça principal
para sua fabricação, sendo utilizado o eixo principal de extração.
Por outro lado, a peça como um todo se torna mais cara, pois esses subcomponentes encarecem o produto, além do custo da sub-montagem dos mesmos.
Existem vários tipos de clipes, diferenciados pelo tamanho, tipo de encaixe na
contra-peça, como ser do tipo ―W‖ ou de estágios, e como ele é preso à peça em si,
podendo ser encaixado (em uma parede ou ―dog-house‖), soldado por ultrassom ou
colado.
33
Figura 2.18 - Exemplos de tipos de encaixe
Figura 2.19 - Exemplos de diferentes tipos de fixação na peça
O seu funcionamento é baseado na flexibilidade das abas do clipe, que são
comprimidas, geralmente ao entrar em um furo, e que após ultrapassarem a
espessura da contra-peça, voltam à posição original, travando o clipe, e por
conseqüência, a peça.
Figura 2.20 - Seqüência de encaixe de um clipe
2.3.4.2.Clipes Integrados
Focando na redução de custos, clipes integrados tendem a simplificar a
montagem e seus custos associados (eliminam operações de sub-montagem e o
34
custo de peças extra), uma vez que ele é formado durante a injeção da própria peça,
com o mesmo material.
Clipes integrados são muito úteis, uma vez que eliminam a necessidade de
parafusos, clipes encaixados ou adesivos.
Por outro lado, seu desenvolvimento
requer uma engenharia maior que a de uma união por parafuso, por exemplo.
A ferramenta, principalmente para os casos onde o clipe fica na parte interna de
uma parede que tem o lado oposto visível, pode se tornar mais complexa, e por isso
mais cara. Para volumes maiores, a tendência é o preço de peça final mais baixo
compensar o investimento inicial.
Figura 2.21 - Exemplo de clipe integrado simples
A maior parte dos plásticos pode ser utilizada para esse tipo de clipe,
principalmente se a peça for montada apenas uma vez, já que o clipe pode ser
danificado durante a desmontagem. Caso a peça necessite de ser desmontada
várias vezes, a força de retenção deverá ser reduzida, para preservação do clipe.
Figura 2.22 - Exemplo de clipe para uma única montagem (a) e desmontagens (b, c & d)
Outro fator positivo é o fato de o número de fixações metálicas ser reduzido ou
eliminado, aumentando a reciclabilidade do conjunto.
35
Figura 2.23 - Exemplos de clipes antes e depois da montagem
36
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Seleção de Material
3.1.
Busca-se, através da seleção do material, definir qual o material que melhor se
adapta ás necessidades de um projeto.
Como característica geral, busca-se sempre a minimização da massa de um
veículo, baseado na otimização (redução) da seção transversal de cada
componente, sem que haja comprometimento de sua resistência (rigidez) e
durabilidade (vida útil); porém, como em todo bom projeto de Engenharia, o custo é
também extremamente relevante.
Em linhas gerais, o projeto de um elemento estrutural é especificado por três
grupos, como definido em ASHBY, M. F., em Materials Selection in Mechanial
Design (1992): requisitos funcionais, geometria e propriedades do material com que
é feito. O desempenho do elemento é descrito por uma equação do tipo:
(3.1)
ou
p = f (F, G, M)
(3.2)
onde p descreve os aspectos de desempenho do componente, como massa,
volume, custo ou vida, por exemplo; e ―f‖ significa ―função de ―. O projeto otimizado
é a seleção do material e geometria que maximizem ou minimizem p, de acordo com
a necessidade, e cada uma dessas variáveis (grupos) é chamada de índice de
desempenho. A experiência mostra que esses grupos são usualmente separáveis.
Neste capítulo, obviamente, a variável de interesse para estudo é a variável M, com
relação às propriedades do material.
A metodologia consiste em escolher uma equação que envolva a propriedade
que se deseja maximizar ou minimizar e isolá-la do lado esquerdo da equação (o p
da equação (3.1)). Então, utilizando-se de outras equações vindas da Resistência
37
dos Materiais, substituir os elementos do lado direito da equação de modo resultar
em uma equação do tipo da equação (3.1), que possa ser possível visualizar os
elementos nos três grupos mencionados anteriormente. De posse da função relativa
a M, utiliza-se as Cartas de Seleção de Materiais para selecionar o material, ou
família de matérias, que melhor cumpre com os parâmetros do projeto.
Pela relação matemática obtida (M), seleciona-se a Carta com as propriedades
convenientes, e pode-se plotar uma reta onde essa relação é constante, ou seja,
uma reta que indica os materiais que possuem o mesmo valor para a relação
estabelecida. Na verdade obtêm-se famílias de retas paralelas, cada uma delas
indicando um valor constante para a relação estabelecida. Qualquer material que se
encontra acima dessa paralela se adequa melhor á característica buscada, abaixo,
pior. Pode-se utilizar também o cruzamento de informações nessas cartas, assim
estabelecendo ―zonas de materiais permitidos‖. Por exemplo, após manipulação das
equações, deseja-se maximizar a relação
ρ /E1/3, e deseja-se um material
Coeficiente de Elasticidade, E, maior que 100 GPa. Nesse caso, na carta onde estão
plotados E x ρ, a região de interesse passa a ser dos materiais que se encontram
acima da linha que delimita materiais com E > 100GPa, e mais acima da família de
retas que representam ρ /E1/3.
Os clipes em estudo, por terem basicamente função de fixação e retenção, são
considerados elementos estruturais, ou seja, eles têm que satisfazer os requisitos
funcionais definidos, carregamentos externos ao elemento. Por outro lado, dada a
forma como é feita a montagem, é exigida do clipe também certa flexibilidade, que
se contrapõe à resistência; um dos grandes desafios é encontrar o ponto de
equilíbrio para que ambas a condições se satisfaçam (montagem e resistência),
através da seleção de material e geometria do clipe.
Para clipes integrados à peça, como no caso em estudo, a seleção do material
não pode ser baseada apenas nos requisitos do clipe (resistência, flexibilidade,
densidade e custo), pois ele terá que ser do mesmo material que o restante da peça,
que pode ter seus requisitos próprios, estruturais ou de aparência, daí a
necessidade de selecionar um material que cubra satisfatoriamente as necessidades
de ambos.
Existe a possibilidade de o clipe ser sobre-injetado na peça, o que possibilitaria
a utilização de um material diferente. A sobre-injeção é uma segunda operação de
injeção, sobre a peça já injetada, geralmente utilizada para casos onde não é
38
possível adicionar uma nova ação na ferramenta ou se deseja utilizar um material
diferente. Ela exige um ferramental mais complexo, e conseqüentemente mais caro,
aumenta o tempo do ciclo total de fabricação da peça e a complexidade desse ciclo,
para garantir que os materiais se fundam corretamente e que não haja delaminação,
e ainda exige uma análise de compatibilidade entre os materiais utilizados, quando
for o caso, também para garantir a aderência entre os mesmos. Essa é uma prática
muito comum quando se deseja utilizar dois tipos de materiais muito diferentes,
como plástico e borracha; quando da necessidade de características de dois
materiais similares, por exemplo dois tipos de plástico, o mais recomendado é que
se encontre um material intermediário, em vez de partir para a sobre-injeção.
Para o estudo de caso, dada a complexidade para que essa seleção seja feita,
e por não ser o foco do presente trabalho, o material será definido a priori das
avaliações, baseado nos conhecimentos anteriores do setor automotivo.
3.2.
Método dos Elementos Finitos
A análise estrutural refere-se a uma classe de problemas da mecânica dos
meios contínuos. Para a maioria dos casos essa análise torna-se relativamente
simples, lançando-se mão da teoria da Resistência dos Materiais (ou Mecânica dos
Sólidos), com suas hipóteses e simplificações, e adotando-se as corretas condições
de contorno e/ou iniciais associadas ao problema. Entretanto quanto mais complexo
for o problema, mais difícil torna-se sua resolução, e a obtenção de uma solução
exata exige simplificações e hipóteses cada vez mais exageradas, correndo o risco
de se afastar demasiadamente o modelo utilizado do fenômeno real.
Com o avanço da tecnologia dos processadores e computadores digitais, foram
desenvolvidos programas que obtêm soluções numéricas aproximadas para esse
tipo de problema, baseados em métodos matriciais, entre eles o Método dos
Elementos Finitos. Vale ressaltar que apesar de ser uma ferramenta de análise
poderosa, se não utilizada cuidadosamente e corretamente, pode fornecer
resultados incorretos, por isso é recomendável a utilização de métodos de análise
diferentes, garantindo maior confiabilidade para os resultados obtidos. Em outras
39
palavras, esse tipo de programa não deve ser utilizado às cegas, como uma caixa
preta, pois acaba por potencializar a capacidade de resolução do problema, para o
certo ou para o errado; deve-se ter uma boa idéia dos resultados esperados, pela
resolução do problema por um modelo mais simplificado, por exemplo, para que se
possa comparar com os resultados finais, evitando problemas ou surpresas futuras.
Os programas de modelagem por Elementos Finitos podem resolver
numericamente uma variedade de problemas mecânicos. Entre eles: análise
estrutural estática/dinâmica (linear ou não linear), problemas de transferência de
calor e fluidos, problemas de acústica e eletromagnética.
A metodologia utilizada é a divisão da estrutura, por meio de linhas ou
superfícies imaginárias, em pequenos elementos (―elementos finitos‖), onde esses
elementos estão interligados por um número discreto de pontos nodais situados em
suas
fronteiras.
Conjuntos
de
funções
são
selecionadas
para
definir
univocadamente, dentro de cada ―elemento finito‖, seus deslocamentos e,
conseqüentemente, suas tensões.
Esse processo envolve várias aproximações, como, por exemplo, para garantir
a continuidade das funções de deslocamento entre elementos contíguos; ou a
utilização de cargas nodais equivalentes, satisfazendo as condições de equilíbrio
apenas num modo geral.
Em geral, a solução por elementos finitos pode ser dividida em três etapas:
1) Pré-processamento: definição do problema, onde as etapas principais
são:

Definição de pontos/áreas/volumes;

Definição do tipo de elemento, material e propriedades geométricas;

União de linhas/áreas/volumes, conforme o problema.
2) Solução: aplicação de carregamentos (pontuais ou distribuídos),
vinculações (translacionais e rotacionais) e resolução do conjunto de
equações resultantes.
3) Pós-Processamento: processamentos posteriores e visualização dos
resultados obtidos, tais como:

Listagem de deslocamentos nodais;

Forças e momentos nos elementos;
40
3.3.

Plotagem de deflexões;

Diagrama de faixas de tensão;
Moldes e Injetoras
De acordo com BOZZELLI (2009), a indústria de moldes de injeção é
relativamente nova, quando comparada com outros processos de manufatura, como
metais e madeira. Apesar de patenteada em 1870 por Smith e Locke, e em 1872 por
Hyatt, as primeiras maquinas comerciais foram desenvolvidas no fim dos anos 1920
e 1930. Muito se avançou desde então, na área numérica e computacional.
Num processo de injeção, os componentes básicos para a fabricação de uma
peça plástica são:
- Unidade de Injeção: geralmente uma Máquina a pistão, seja de Cilindro
horizontal ou Cilindro vertical; ou uma Máquina com rosca pistão, seja de
acionamento hidráulico, acionamento elétrico para rotação da rosca, ou com préplastificador de rosca acionamento hidráulico com injeção a pistão).
- Unidade de fechamento do molde: geralmente um cilindro hidráulico
(fechamento horizontal) ou fechamento com articulação (vertical ou horizontal).
- Molde de Injeção: geralmente feito a partir da usinagem de um bloco de aço
ou alumínio (para menores quantidades), sendo dividido em núcleo e a cavidade
propriamente dita (―macho e fêmea‖). Outros métodos de obtenção são: fundição,
eletrodeposição e composição de postiços. É nele onde são adicionados os dutos de
resfriamento, o(s) bico(s) de injeção, pinos de extração e saída de gases. O molde é
adaptado ao final da máquina e recebe, em sua cavidade o material plástico fundido
por meio de pressão.
41
Figura 3.1 - Exemplo de Molde de Injeção
O processo de injeção, basicamente, consiste na fundição do material
selecionado, a injeção do mesmo por meio de pressão para dentro do molde, fluxo
do material dentro do molde para preenchimento das cavidades, resfriamento do
molde/peça e retirada da peça do molde, o que comumente chama-se de Ciclo de
Injeção. Quanto menor o tempo do ciclo de injeção, mais produtiva será a máquina,
fabricando peças mais rapidamente.
Figura 3.2 - Exemplo de Processo de Injeção
42
O tempo do Ciclo de injeção depende em grande parte do tempo de
resfriamento da peça, para que seja possível sua remoção do molde sem que a peça
fique presa na cavidade, e levar a peça a temperaturas próximas ao ambiente, para
que se tenha um resfriamento controlado da peça, controlando-se assim a contração
térmica da peça, de modo a evitar distorções dimensionais.
Abaixo gráficos comparando o ciclo de injeção sem resfriamento externo
(resfriando naturalmente) e utilizando-se resfriamento através de circulação de água
dentro do molde.
Figura 3.3 - Exemplo de Gráfico para Resfriamento Natural
Figura 3.4 - Exemplo de Gráfico para Resfriamento por circulação de água
O molde é a peça principal na confecção de peças plásticas. Seu projeto
depende do tipo de material que nele será utilizado, a máquina injetora a ser
utilizada, o projeto de refrigeração, etc.
Os fatores importantes no projeto de um molde de injeção plástica são: peso,
tamanho e formato da peça (para se decidir qual a melhor localização para as
entradas, número de cavidades, quantidade de gavetas e pinos estratores, etc), tipo
43
de material a ser injetado (contração a ser aplicada nas cavidades e parâmetros de
temperatura e pressão necessários), tempo de ciclo e vida útil do molde.
Figura 3.5 - Exemplo detalhado de um molde
Inicia-se o estudo para a confecção do molde tendo em mãos o projeto da
peça a ser confeccionada e o material a ser utilizado. Pelo tamanho da peça, definese o número de cavidades a serem utilizadas por molde, a pressão a ser utilizada, a
quantidade inicial de bicos injetores necessários e sua localização, posição e
movimentação das ―gavetas‖ e o sistema de resfriamento preliminar (que pode ser a
água ou a ar).
Analisam-se também os ―ângulos de saída‖, para possibilitar que a peça
possa ser retirada do molde, sem travar durante a abertura do molde. Comumente
adiciona-se partes móveis (―gavetas‖) no núcleo quando por projeto a peça tem que
ter determinados ângulos que travariam a peça/molde, o que encarece o molde, e
deixa linhas de junção, indesejáveis se a peça for de aparência.
Os materiais geralmente são colocados em pequenos grãos para facilitar seu
transporte e fundição. Pode se também colocar aparas, produzidas pela moagem
dos refugos.
Figura 3.6 - Exemplo de molde com partes móveis
44
O material também define qual será a contração que deve ser aplicada ao
molde, uma vez que ao resfriar a peça se tornará menor (contração), ou seja, o
molde é feito maior, de modo a compensar o efeito da contração na peça durante o
resfriamento.
Algumas ações corretivas para reduzir-se a contração do material são:
- Diminuir a temperatura do material;
- Aumentar a pressão de injeção;
- Reduzir o limite de carga a ser injetada;
- Reduzir a temperatura do molde;
- Aumentar o tamanho da entrada da cavidade;
- Aumentar o tamanho do bico;
- Colocar entradas múltiplas;
- Aumentar o tempo de avanço;
- Aumentar a velocidade de injeção;
- Aumentar o tempo de molde fechado;
- Aumentar a saída de ar da cavidade.
Através do estudo de ―Mold Flow‖, simula-se por computador o escoamento do
material dentro do molde, avaliando o escoamento em si, a temperatura do material
durante a injeção, o tempo de injeção e o preenchimento das cavidades.
Figura 3.7 - Exemplo de estudo de ―MOLD FLOW‖
Esse estudo inicialmente mostra se a escolha do numero de cavidades e
bicos injetores e o projeto inicial dos dutos de resfriamento foi feito de manira
45
correta, permitindo modificações e correções, para nova simulação, como por
exemplo, utilização de material poroso em regiões de acúmulo de gás,
movimentação das linhas de resfriamento e utilização de material com maior
condução térmica (e mais caros) em determinadas regiões de altas temperaturas.
Um projeto de molde mal projetado ou mal fabricado pode ocasionar em
defeitos na própria peça, como, por exemplo, injeções incompletas, superfície opaca,
manchas de queimado, marcas de ―chupagem‖ ou bolhas, marcas de junção e juntas
enfraquecidas (junta frias), excesso de aderência no bico ou na cavidade, marcas de
fluxo, marcas oblíquas, rebarba na peça, manchas pretas ou degradação da cor, ou
ainda deformações ou contrações excessivas e não uniformes.
Durante as iterações, têm-se também a previsão de locais de acúmulo de
gases (e possível problema de preenchimento), formação de juntas-frias (quando o
material percorre direções diferentes, juntando-se em determinada posição da
cavidade – circundando um furo por exemplo - mas já não quente o bastante para
que as pontas se fundam ao se encontrar, gerando regiões de baixa resistência
mecânica), temperaturas elevadas em determinadas regiões do molde (possível
deformação da peça durante o resfriamento, por este ocorrer de maneira desigual),
entre outros.
O ―Mold Flow‖ também faz a avaliação (previsão numérica), por meio das
temperaturas, do fluxo e de como o molde resfria, de como a peça saíra do molde,
sua contração e deformações. Nesses casos, trabalha-se com os dutos de
resfriamento, tentando aproximá-lo das regiões mais quentes, para que o molde
possa ser resfriado de maneira mais igual. Outra opção é a utilização de materias de
condutividade térmica maior (insertos), para acelerar o resfriamento nas regiões de
acúmulo de temperatura. Esses materiais, por exemplo o ―Mold Max‖, podem custar
até dez vezes mais, por quilograma, que o material do molde em si.
46
Figura 3.8 - Exemplo de entradas e saídas de dutos de refrigeração
Economicamente, quanto menor o tempo de resfriamento, melhor para a
produtividade da injetora; por outro lado, ao resfriar-se a peça muito rapidamente,
pode-se ter contrações indesejadas na peça, além de acúmulos de tensão,
causando fragilidade na peça, e possível deformação caso a peça sofra novo
aquecimento (ficar no sol, por exemplo), aliviando-se assim as tensões.
A função do sistema de resfriamento é basicamente permitir o controle de
como o molde, e por conseqüência a peça, resfria, dando a possibilidade de
correção e ajustes de processos para confecção de uma peça com qualidade.
Muito mais que apenas controlar a velocidade de resfriamento, o sistema deve
permitir que a peça resfrie de maneira uniforme, retirando mais calor de regiões
quentes do molde, balanceando a mudança de temperatura, de modo que a
contração da peça também seja uniforme.
O sistema, comumente, é constituído por canais no interior do molde para
circulação de água, e deve garantir que a diferença de temperatura do líquido entre
a entrada no molde e a saída deve ser a menor possível. Grandes diferenças de
temperatura no molde provocam diferentes taxas de resfriamento no molde, que
podem causar peças com contração excessiva ou não-uniforme; brilho indesejado e
destacar linhas de junta fria.
Deve-se projetar os dutos de refrigeração distribuindo os dutos ao longo do
molde, geralmente no maior numero possível, de modo a sempre manter-se uma
temperatura constante no molde.
47
Figura 3.9 - Exemplo de composições incorreta e correta de dutos de refrigeração
Dutos projetados incorretamente podem levar a reformulação de todo o molde,
através de solda e nova usinagem, e, às vezes, até mesmo à perda do mesmo,
tendo que refazer o molde novamente.
A adição de clipes integrados a uma peça, como mencionado anteriormente,
pode aumentar substancialmente a complexidade e o custo da ferramenta de injeção
(molde). É importante entender quais são a implicações do projeto da peça no
projeto do molde, pois muitas vezes pequenas alterações na peça podem facilitar
bastante a construção do molde.
A figura 2.25 ilustra uma situação onde os clipes se encontram nas
extremidades
e
apontam
para
fora,
não
havendo
nenhuma
contra-saída
(travamento) na ferramenta, em um projeto bastante simples, sem que haja
necessidade de movimentos (atuadores) secundários.
Figura 3.10 - Exemplo de projeto sem contra-saídas
Caso os clipes estivessem virados na direção oposta, eles travariam na parte
fixa (núcleo) do molde, impedindo que a peça fosse extraída. A figura 2.26 ilustra
essa situação. Uma alternativa seria a adição de um pequeno ângulo na parede
externa da peça, o que forçaria uma deflexão da parede durante a extração. Vale
48
lembrar que nesse caso, se a extração ocorrer enquanto o material ainda estiver
quente, poderá haver deformação permanente na parede.
Figura 3.11 - Exemplo de projeto com contra-saídas
Para situações mais complexas, com contra-saída, movimentos secundários e
atuadores (―lifters‖) tem que ser adicionados ao molde, caso o projeto da peça não
possa ser melhorado antes da construção da ferramenta.
Figura 3.12 - Exemplo de projeto com ―Lifters‖
49
Figura 3.13 - Exemplos da necessidade de atuadores
50
4. REQUISITOS
4.1.
Ergonomia
Segundo Houaiss (2001) a palavra ―ergonomia‖ se originou de duas palavras
gregas, ―ergon‖ que significa trabalho e ―nomos‖ que significa leis, sendo que sua
definição está descrita como sendo o ―estudo científico das relações entre homem e
máquina, visando a uma segurança e eficiência ideais no modo como um e outra
interagem‖ e tendo em vista também a ―otimização das condições de trabalho
humano, por meio de métodos da tecnologia e do desenho industrial‖.
Já conforme a Abergo (2009), Associação Brasileira de Ergonomia, a definição
de Ergonomia é “o estudo das interações das pessoas com a tecnologia, a
organização e o ambiente, objetivando intervenções e projetos que visem melhorar,
de forma integrada e não-dissociada, a segurança, o conforto, o bem-estar e a
eficácia das atividades humanas‖.
Figura 4.1 - A ―evolução‖ do homem (Fonte: UnB)
Há a definição também da IEA (2009), a International Ergonomics Association
que diz a Ergonomia ou Human Factors (Fatores Humanos) é uma ―disciplina
cientifica‖ que desempenha o papel e estuda ―as interações entre os seres humanos
e outros elementos do sistema, e a profissão que aplica teorias, princípios, dados e
métodos a projetos que visem otimizar o bem-estar humano e o desempenho global
de sistemas‖.
51
A ergonomia, como cita Iida (2005), aplica-se ao sistema homem-máquinaambiente, e apresenta-se como um instrumento de concepção e adaptação de
equipamentos, mobiliários, postos de trabalho e processos/procedimentos para a
melhoria da segurança e da qualidade de vida das pessoas que estão nesse
ambiente de trabalho, principalmente para eles que realizam movimentos e esforços
repetitivos diariamente. Como conseqüência, espera-se também melhora na
eficiência do processo, na produtividade e na qualidade do produto final, uma vez
que se reduz o risco de defeitos relacionados à ação do operador, que estará em
melhores condições físicas, e até mesmo psicológicas, menos propenso ao erro.
O termo ―ergonomia‖ foi inicialmente utilizado em 1947 na Grã-Bretanha, para a
melhoria das atividades militares na Segunda Guerra Mundial, e depois acabou se
propagando para a Europa, principalmente na França, e, finalmente, para fins civis
(WISNER, 2004).
As disciplinas que contribuíram para o desenvolvimento da ergonomia
primeiramente foram: a fisiologia do trabalho, a antropometria, a psicologia científica
e a biomecânica.
A biomecânica é uma das mais relevantes, do ponto de vista da engenharia, e
atua nos campos mais diversos como: ―compreensão e modelização do gesto
voluntário, acústica, efeitos das vibrações, modelos de homens como sistema de
massas suspensas, biomecânica dos impactos, etc.‖ (WISNER, 2004).
Devido à distância entre os estudiosos do assunto, segundo Wisner (2004), a
biomecânica dos impactos praticamente não existia até meados dos anos 60,
entretanto, era necessário conceber automóveis mais seguros, em casos de
acidentes. Por isso, psicólogos, fisiologistas, entre outros profissionais começaram a
realizar estudos conjuntos para fornecer dados científicos reais e suficientes sobre o
homem em relação ao seu trabalho e maquinário aos engenheiros, para possibilitar
uma melhor concepção dos artefatos e conseqüentemente o melhor uso destes,
melhorando a qualidade do meio para os funcionários que os produziam ou os
manuseavam, de forte impacto na área automobilística.
Segundo Wilson (1999) apud Hägg (2003), o interesse na aplicação dos
conceitos de ergonomia teve aumento significativo na década de 90, principalmente
nas empresas, decorrente do aumento da valorização de critérios como
produtividade, qualidade e mudanças no processo.
52
Segundo Lima e Jackson Filho (2004), a Ergonomia da Atividade, ou seja
―compreender o trabalho para transformá-lo‖, que faz com que os profissionais de
cada área específica a ser analisada participem e sejam consultados, e, usando-se
dessas experiências, se construa um novo procedimento ou processo e novos
maquinários feitos por especialistas para melhoria das tarefas a serem realizadas.
Lima e Jackson Filho (2004) também citam que, apesar da Ergonomia da
Atividade parecer estar presente no Brasil (inclusive na nossa legislação, na Norma
Reguladora – NR-17 que inclui a AET – Análise Ergonômica do Trabalho), esta
perde espaço para a Ergonomia dos Fatores Humanos (Human Factors) ou
Macroergonomia, que é uma análise ―tecnizada‖ que utiliza as descrições dos
trabalhos e tarefas para a melhoria da ergonomia desses trabalhadores, mas sem
que eles sejam consultados diretamente, ou seja, sem haver um melhor
aproveitamento de sua experiência profissional no dia-a-dia; e segundo Hendrick
(1986), esta é a ergonomia que se preocupa com ―a pesquisa, o desenvolvimento e
a aplicação ergonômica da tecnologia da interface organização-máquina", sendo que
esta abordagem é conseqüência da evolução do campo de estudo da ergonomia e
também da evolução da tecnologia, aumentando a preocupação com os efeitos das
novas tecnologias em organizações, e conseqüentemente, seus efeitos no trabalho
realizado.
Segundo Lima e Jackson Filho (2004), a Macroergonomia é solicitada e
praticada cada vez mais por profissionais brasileiros da área de projeto (designers,
arquitetos, engenheiros de produto e manufatura, engenheiros de produção e
processos, e administradores e compradores, em geral) e da área da saúde
(terapeutas ocupacionais, fisioterapeutas, psicólogos, médicos do trabalho e
engenheiros de segurança).
Portanto, quando se utiliza da Macroergonomia, projeta-se um sistema técnico,
onde se define as tarefas a serem desenvolvidas, enquanto que na Ergonomia da
Atividade, projeta-se um sistema pessoal onde será descrita e aplicada a maneira na
qual as tarefas são realizadas. (HENDRICK, 1987)
E também segundo Iida (2005), os ergonomistas utilizam diferentes domínios
de especialização da ergonomia que podem ser divididas em Ergonomia física,
Ergonomia cognitiva e Ergonomia organizacional. A primeira se refere à
antropometria, fisiologia e biomecânica em sua relação à atividade física, ou seja, o
estudo da anatomia humana e as prováveis adaptações no trabalho para melhoria
53
de eficiência e saúde. Já a segunda engloba os processos mentais, como memória,
percepção, raciocínio e a interação entre seres humanos e outros elementos de um
sistema, tendo em vista também melhora na saúde, principalmente na diminuição do
stress. Finalmente, a terceira concerne à otimização dos sistemas sócio-técnicos,
incluindo suas estruturas organizacionais, políticas e de processos, principalmente
no que se refere à comunicação, organização temporal do trabalho, trabalho em
grupo e cooperativo, projeto participativo e de trabalho, novos paradigmas do
trabalho, organizações em rede, e gestão da qualidade.
Mas é importante entender a importância da ―mistura‖ desses campos e
domínios da Ergonomia, ou seja, analisar de uma forma ―tecnizada‖ e com
profissionais especializados, mas utilizando as informações dos profissionais que
atuam e realizam o seu trabalho determinado, diariamente.
A importância da ergonomia é a melhora do desempenho do sistema produtivo,
principalmente para resolução de problemas e redução de conseqüências nocivas
para o trabalhador (como fadiga, estresse, LER – lesão por esforço repetitivo, erros
e acidentes) tendo em vista a segurança, o bem-estar, a saúde e, portanto, o
aumento da qualidade de vida dos trabalhadores e, por conseguinte, a eficiência, a
confiabilidade e a qualidade das operações industriais e seus produtos finais, sem
desperdícios (que não agregam valor ao produto final). Essa ergonomia do trabalho
deve ser bem estudada e aplicada, feita por profissionais habilitados e
especializados, tendo o incentivo e apoio principalmente da alta administração da
empresa, como sugere Iida (2005).
Womack e Jones (1996) definem desperdício como ―qualquer atividade
humana que absorve recursos e não agrega valor ao produto‖, ou seja, uma
atividade indiferente para o cliente. As atividades que não agregam valor ao produto
são aquelas que podem ser indispensáveis para a fabricação do produto, mas o
cliente não verá nenhum benefício, como, por exemplo, pegar uma máquina ou uma
ferramenta, estoques intermediários, andar 20 metros para pegar uma peça, abaixar,
transportar uma peça, etc. Atividades como estas são facilmente encontradas no
processo de fabricação, mas devem sempre ser vistas como um desperdício, e
como qualquer desperdício, se não pode ser eliminado, deve pelo menos ser
reduzido ao máximo.
54
Segundo Axelsson e Eklund (2009), após 25 estudos de caso feitos durante
seis anos, de 30 a 50% dos problemas de qualidade dentro da manufatura, como o
desperdício, estão ligados às más condições de trabalho, provando que a partir
deste olhar, os programas de ergonomia e qualidade precisam se integrar e ainda
têm muito a realizar e ajudar.
Conforme Baraldi (2006), em algumas indústrias automobilísticas, aplica-se a
obrigatoriedade na participação de ―times multifuncionais‖ para análise de riscos, e
para procura de soluções ergonômicas para os processos dos trabalhos antigos e
dos novos trabalhos (vagas) que serão oferecidos. Nesses times, se integram
profissionais de projeto e engenharia e de saúde, citados anteriormente, entre
outros, se preciso. Este trabalho específico faz com que a identificação de futuros
problemas ergonômicos seja mais eficiente, podendo evitar posteriores processos
trabalhistas e grandes somas de dinheiro dispensadas em indenizações.
De acordo com Laring et al. (2002) apud Baraldi (2006), os profissionais de
Ergonomia, principalmente os engenheiros precisam usar as técnicas e conceitos
ergonômicos quando fizerem o planejamento do processo de produção. Atualmente,
os procedimentos e métodos mais práticos e usuais que aplicam essas
considerações são relatórios que levam em consideração alturas de pega, limitação
do peso para objetos a serem manipulados, entre outros, observando as limitações
humanas; mas há uma deficiência nesta metodologia, pois ela não calcula a carga
biomecânica no operador. Há indústrias automobilísticas que estão planejando
modificações ergonômicas através de softwares que fazem cálculos com a utilização
de variáveis como demanda, força, postura e a própria carga biomecânica no
operador, fazendo com que a carga biomecânica do operador se mantenha dentro
de níveis aceitáveis.
O Ministério do Trabalho e Emprego - MTE (2005), expressa o respeito e a
obrigatoriedade que as normas regulamentadoras (NR) em nossas leis devem ter
sobre a segurança e saúde no trabalho, a partir dos diretos garantidos nos artigos da
Constituição Federal Brasileira. A Ergonomia, propriamente dita, é citada na NR 17,
na qual sua redação foi realizada pela Portaria nº 3.751, de 23.11.1990, que traz
escrito: ―Esta Norma Regulamentadora visa a estabelecer parâmetros que permitam
a adaptação das condições de trabalho às características psico-fisiológicas dos
trabalhadores, de modo a proporcionar um máximo de conforto, segurança e
desempenho eficiente‖.
55
É com base nos parâmetros dessa NR que a fiscalização do trabalho verifica a
regularidade das condições de trabalho, e autua a empresa infratora, se identificado
que a empresa é responsável por eventual lesão do trabalhador. A empresa tem
obrigação de manter diversos documentos/programas, como o PCMSO (plano de
controle médico de saúde ocupacional) e PPRA (plano de prevenção de riscos
ambientais). - NRs 07 e 09. Esses são efetuados, normalmente, com auxílio de
peritos técnicos da área, e após estudo do ambiente de trabalho, fica estabelecido
nesses documentos os riscos que o ambiente de trabalho pode ocasionar e as
medidas adotadas pra elidi-los.
Conforme a ABNT (2005), ―a normalização é uma atividade que estabelece,
em relação a problemas existentes ou potenciais, prescrições destinadas à utilização
comum e repetitiva com vistas à obtenção do grau ótimo de ordem em um dado
contexto‖, e os objetivos da normalização são a economia (diminuição da variedade
de procedimentos e produtos); a comunicação (melhorar o feedback, a troca de
informação e a interface fabricante-cliente, para melhorar a confiança nessa relação
comercial); a segurança (proteger a saúde e a vida humana); a proteção do
consumidor (para que o cliente tenha modos eficazes para garantir a qualidade dos
produtos) e a eliminação de barreiras técnicas e comerciais (evitar regulamentos e
normas conflitantes sobre produtos e serviços em diferentes países para facilitar o
intercâmbio comercial).
Mas é possível confirmar na prática, que a normalização está presente na
fabricação dos produtos, ―na transferência de tecnologia, na melhoria da qualidade
de vida através de normas relativas à saúde, à segurança e à preservação do meio
ambiente‖.
Portanto, a definição desses critérios de avaliação ergonômicos, nas mais
diversas situações, trabalhos e processos, é uma mistura de leis e normas
regulamentadoras, e definições de associações internacionais e brasileiras, obtidas
através de seminários, congressos, trabalhos e discussões com resoluções e
soluções sugeridas pelos profissionais especializados que reunidos em ―times
multifuncionais‖, geram regimentos e regulamentos internos em cada indústria,
principalmente a automobilística.
Enfim, o objetivo da Ergonomia é fornecer o conhecimento necessário e os
profissionais especializados e capacitados para analisar em nível micro e macro,
aptos á realizar uma intervenção ergonômica, através da interligação de técnicas, do
56
uso eficiente e integrado do conhecimento e a integração desses profissionais
especializados e do resto da empresa em si, seus funcionários e seus
administradores, tendo como resultado um conjunto de ações globais, no qual a
aplicação da ergonomia é um item essencial para se compor um sistema com
metodologias saudáveis e eficientes nas empresas, com constantes interações,
visando estar em um estado de equilíbrio, para que todos tenham um objetivo
sustentável e lucrativo em comum.
E como argumenta Moro (1997), os ergonomistas devem desenvolver
estratégias para tratar os desafios atuais de maneira eficiente, sendo necessária a
integração de todos por causa da constante evolução dos ambientes em que o
homem está inserido e no ambiente das organizações, assim estarão preparados
para definir novas estratégias a partir dos desafios que encontrarão no futuro.
Vale citar também, para referência, algumas normas ISO que tratam de
ergonomia:

ISO 6385, Ergonomic principles in the design of work systems

ISO 11226, Ergonomics — Evaluation of static working postures

ISO 11228-1, Ergonomics — Manual handling — Part 1: Lifting and carrying

ISO 11228-2, Ergonomics — Manual handling — Part 2: Pushing and pulling

ISO 14738, Safety of machinery — Anthropometric requirements for the
design of workstations at machinery

ISO 15534 (all parts), Ergonomic design for the safety of machinery
De maneira geral, define-se lesão (tanto físicas como a LER – Lesão por
esforço repetitivo ou psicológicas como o stress) como uma função da freqüência,
esforço e posição/movimento realizados pelo trabalhador. Vale ressaltar que uma
operação que é considerada inaceitável em uma linha a velocidade normal, se
realizada apenas algumas vezes por hora, pode até ser considerada aceitável; daí a
importância de ser realizado o balanceamento de linha de maneira eficiente, de
modo a não sobrecarregar o trabalhador, afetando positivamente sua saúde e
segurança, reduzindo riscos de acidentes e de erros, o que acaba contribuindo para
uma melhora na qualidade do produto final, e conseqüentemente, para a saúde
financeira da empresa também.
57
4.2.
Retenção
A principal função dos clipes integrados, assim como qualquer tipo de fixação,
é manter a integridade da junção na qual está sendo aplicado, ou seja, resistir a
cargas e aplicações às quais a peça esteja sujeita. A determinação desses requisitos
é um dos primeiros passos no projeto para a seleção e desenvolvimento do método
de fixação de uma peça.
Segundo Bonenberger (2005), o objetivo é que o clipe seja capaz de absorver
a energia aplicada durante a separação antes que ocorra a desmontagem, até o
limite definido em projeto, e sem causar dano permanente ao conjunto.
Fatores como tipo da peça em questão e sua localização no veículo, o tipo e
uso esperado do veículo no qual a peça será aplicada e as condições climáticas às
quais o veículo estará sujeito, em conjunto com a capacidade do corpo técnico da
montadora ou fornecedor em traduzi-los em valores, definem quais os tipos de
carregamentos e requisitos a peça, e conseqüentemente o clipe, deverão suportar
durante a vida útil do veículo. A interpretação desses dados de maneira correta, de
modo a transformá-los em testes, se possível acelerados, contribui para a eficiência
do projeto, evitando superdimensionamentos e custos desnecessários.
Requisitos de serviço, ou seja, definir se existe a necessidade de
desmontagem ou se a fixação deve ser permanente, também influenciam na
definição do conceito de retenção, e de como a peça deve se portar em uma
desmontagem. Caso a fixação seja permanente, o clipe deve suportar uma certa
força de retenção definida como mínima, e pode ocorrer a ruptura do material caso
essa força seja ultrapassada.
É importante ressaltar que deve haver uma clara diferenciação entre o que é o
desejo/necessidade do consumidor (requisitos de mercado) e o que pode ser
considerado como má-utilização ou vandalismo, de modo a não penalizar
desnecessariamente o custo do desenvolvimento e do produto final, afastando o
produto de sua real necessidade e aproximando-o, num limite extremo, de um
tanque de guerra.
Vale mencionar que não é necessário que um único clipe seja capaz de
suportar todo o esforço aplicado, pois sempre há a possibilidade de múltiplos clipes
58
agindo em conjunto, distribuindo esses carregamentos. Segundo Troughton (2008),
quando múltiplos clipes são utilizados, eles devem estar dispostos de maneira
oposta um ao outro.
4.3.
Relação ergonomia e retenção para clipes plásticos integrados
Uma peça com clipes integrados bem projetada dispensa a utilização de
dispositivos de montagem (como apertadeiras ou martelos), e ao mesmo tempo
garante a retenção necessária da peça no conjunto.
Com regulamentos cada vez mais severos em relação a ergonomia,
principalmente nos EUA e na União Européia, onde são muito comuns processos
contra os empregadores para o casos de lesões decorrentes do trabalho, é cada vez
mais importante que sejam observadas as condições de montagem para o operador
em uma linha de montagem, garantindo sua salubridade. No Brasil, os critérios de
ergonomia, no geral, não são tão atentados com a mesma severidade, mas tem o
assunto tem caminhado na mesma direção dos países chamados desenvolvidos.
Para uma montagem mais sadia, não apenas a segurança deve ser levada em
conta, mas também se observam itens como a posição na qual o operador fica
durante a montagem, o quão repetitiva é a operação, o grau de dificuldade e o
esforço realizado, visando não somente não causar danos ao operador, mas
também possibilitar condições para que o operador faça seu trabalho com a mesma
qualidade do inicio ao fim de sua jornada. Dependendo da posição da peça e a
direção em que a força de montagem deve ser aplicada, um determinado valor de
força necessária é aceito por ergonomia.
No caso dos clipes integrados, foco do presente trabalho, isso está diretamente
ligado à força de inserção dos clipes e a seqüência de montagem, daí a importância
em considerar a força de inserção como um dos requisitos do projeto.
59
Figura 4.2 - Exemplo de parâmetros necessários para cálculo do esforço de montagem do clipe
O grande paradoxo no desenvolvimento de clipes integrados é que o clipe deve
ser flexível durante a montagem e rígido para a retenção. Alguns conceitos de clipes
são melhores que outros para atender esses requisitos conflitantes.
Se por um lado é preciso garantir a segurança e saúdo do operador, por outro
é preciso garantir que a peça mantenha sua funcionalidade, atendendo às
expectativas do consumidor final que venha a adquirir o produto. Isso significa que é
preciso garantir que a peça continue fixada ao conjunto e não desmonte com
facilidade, daí a necessidade de uma força de retenção adequada em cada clipe.
É essa relação um dos grandes complicadores no projeto de clipes integrados:
garantir que o esforço de montagem seja baixo (ergonomicamente aceitável), sem
que haja comprometimento da retenção.
Figura 4.3 - Exemplo de parâmetros necessários para cálculo do esforço de montagem do clipe
60
4.4.
Durabilidade
Segundo o Hougaz (2005), é de fundamental importância em projetos de
veículos poder prever adequadamente a durabilidade de um componente, de modo
a reduzir custos e estimar prazos para garantia e manutenção; porém, em diversas
situações,
inúmeros
parâmetros
não
podem
ser
controlados
durante
o
desenvolvimento, como as propriedades da vida em fadiga do material, tornando tal
previsão muito complicada.
Por durabilidade entende-se que o clipe deva suportar os carregamentos
recebidos durante toda a vida útil estimada para o carro.
Alguns quesitos básicos devem ser atingidos no desenvolvimento de um clipe
para que possa ser considerado robusto:
•
o desempenho do clipe não pode ser comprometido por danos causados
durante a montagem
•
o clipe deve atender aos requisitos de montagem e retenção da aplicação
•
atender requisitos de manutenção, uso e desmontagens, se existirem, sem
deformação plástica
•
resistir às forças aplicadas no uso considerado normal, sem danos ou
desmontagem acidental
•
manter posição e alinhamento relativa entre as peças, seja por requisito de
aparência ou funcionalidade
Segundo Bonenberger (2005), devido à tendência de materiais plásticos ao
encruamento e fadiga, deve-se evitar forças constantes de longa duração, a menos
que essas forças sejam baixas ou que seu desempenho seja indicado por análises e
testes. O material selecionado também deve ser capaz de suportar as condições de
uso do veículo, sejam térmicas ou de aparência, sem perder sua função. Segundo
Rösler (2007), solventes (polares ou não-polares) ou irradiação com luz ultravioleta
(UV) pode reduzir significativamente a resistência de um polímero; daí a
necessidade de aplicação de um componente anti-UV na fabricação de matérias
primas para peças de aplicações externas ao veículo, com incidência direta e
continua de sol, caso não seja pintada, ou adição desse componente anti-UV na
fabricação da tinta, para peças pintadas.
61
Devem-se evitar forças atuantes nos clipes que não as de inserção e retenção;
segundo Troughton (2008), apoios ou guias (como pinos localizadores) devem ser
utilizados para eliminar forças de cisalhamento, em acordo com Bonenberger (2005),
que afirma que quanto mais graus de liberdade puderem ser removidos por pinos
localizadores, mais forte será a junção.
Outro fator que deve ser considerado é o comportamento da peça e do clipe
perante variações dimensionais em relação à contra-peça. Essas variações podem
ser causadas pela variação de temperatura, caso peça e contra-peça sejam de
materiais diferentes, com coeficientes de dilatação térmicos muito diferentes, e de
dimensões relativamente grandes. Para casos assim, deve haver uma preocupação
maior em relação à posição e distribuição dos (pinos) localizadores, e, caso
necessário, alinhamento dos clipes na direção do movimento de expansão/contração
térmica, de modo a não perder seu desempenho.
Variações dimensionais podem ser derivadas também da montagem ou
processo de fabricação. Segundo Burris (1998), analises de variação de montagem
tipicamente são realizadas nas fases inicias do desenvolvimento de um produto,
coordenando datums, seqüências e métodos de montagem, e tolerâncias individuas
das peças. Essas variações podem ser reduzidas com a implementação de
localizadores na peça, folhas de processo, treinamento dos operadores e
dispositivos anti-erros. Bonenberger (2005) sugere que áreas de encaixe maior do
clipe melhoram a absorção dessas variações.
4.5.
Manufaturabilidade dos clipes
Como discutido no capitulo anterior, a maior parte do investimento relacionado
à produção de peças plásticas injetadas, tipicamente, é aplicado na fabricação do
molde de injeção, e grande quantidade de desperdício de recursos pode ser evitado
levando-se em consideração o projeto da ferramenta durante o projeto da peça
plástica e seus clipes integrados.
62
Deve-se buscar desenvolver a peça e os clipes de maneira a simplificar a
ferramenta de injeção (molde), evitar distorções na peça (funcionais ou de
aparência) e prevenir a fragilização da ferramenta.
Segundo Bozzelli (2009), um produto plástico de sucesso depende da
otimização de cada um dos quarto componentes principais: projeto da peça, seleção
e manuseio do material, projeto e construção da ferramenta, e capacidade de
processamento das máquinas (injetoras).
O projeto da peça deve levar em consideração medidas que evitem
deformações e marcas na peça. É o caso de marcas visíveis na superfície da peça,
causadas pela presença do clipe na face oposta, também chamadas marcas de
―chupagem‖. Isso ocorre devido ao acúmulo de massa em regiões especificas da
peça e, durante o resfriamento, o material acaba por contrair de maneira
diferenciada das regiões próximas, gerando tensões internas e deformações, como
mostrado na figura 4.4, onde a figura superior indica grande acumulo de massa no
centro e nas laterais, causando grande deformação da peça, falta de preenchimento
e marcas de contração (―chupagem‖).
“Chupagem”
Projeto Melhorado
Figura 4.4 - Exemplo de peça com problemas de projeto e projeto melhorado.
É muito comum uma peça com problemas de projeto ser fabricada sem
apresentar problemas dimensionais, mas com grande quantidade de tensões
internas, que, após os primeiros ciclos térmicos, acontecendo alivio dessas tensões,
poderá então ficar deformada.
63
Figura 4.5 - Exemplo de peça com acumulo de massa
Peças que não são aparentes ao consumidor final podem apresentar certo grau
de marcas na superfície, desde que não comprometa sua funcionalidade.
A seleção e manuseio do material devem ser feitos com muito cuidado, de
modo a garantir o desempenho esperado do material. Bozzelli (2009) recomenda a
criação de uma lista de critérios com os requisitos para o material, desde
temperatura de trabalho e ciclo térmico até tolerâncias dimensionais e desgastes.
64
5. METODOLOGIA PROPOSTA
Com o intuito de auxiliar no projeto, desenvolvimento e avaliação de elementos
de fixação para peças plásticas integrados à própria peça (clipes), na seqüência
apresenta-se a descrição da metodologia proposta, baseada no estudo das
características físicas (individualmente) do clipe (dimensionais e de material), para
aprimorar o entendimento de como cada uma delas influencia no desempenho do
clipe, através da comparação de resultados obtidos, com o uso de formulações
baseadas na Resistência dos Materiais e ferramentas de CAE (Computer Aided
Engineering).
A metodologia pretende servir como guia no desenvolvimento dos clipes,
preferencialmente durante a fase de projeto, na qual normalmente os impactos sobre
custo, tempo e complexidade das mudanças são menores.
É proposta a utilização do ambiente virtual (CAE) para as análises, através do
Método dos Elementos Finitos (MEF), modo cada vez mais disseminado e aceito
entre as empresas e universidades na tentativa de prever o comportamento dos
elementos com grande economia de tempo e, principalmente, recursos financeiros,
quando comparados à construção de (múltiplos) corpos de prova reais,
possibilitando várias iterações em curto espaço de tempo e com custo relativamente
baixo, com as devidas limitações dos programas, e dependente de mão-de-obra
qualificada.
São muitos os programas que utilizam o Método dos Elementos Finitos (MEF)
para análise, porém estes ainda apresentam certas limitações em representar alguns
fenômenos e reações físicas, como, por exemplo, o desgaste superficial causado por
atrito ou a fadiga do material, que acabam não sendo contemplados nas análises
virtuais, mas podem ser importantes para o resultado, daí a necessidade de criar
modelos para representar tais reações ou o entendimento e discussão das
conseqüências ao tê-las desprezadas.
65
Na figura 5.1 é mostrado o fluxograma com a metodologia proposta:
1. Selecionar conceito do clipe
Deformação
2. Requisitos de Aparência
S
Plástica?
N
3. Requisitos de Manufatura
14. Definir características de interesse
4. Definir CLIPE-BASE
15. Avaliar características individualmente
5. Definir Contra-peça
16. Elaborar tabela com resultados
6. Avaliar Linearidades
17. Analisar tabela e resultados
7. Selecionar tipo de análise (MEF)
18. Definir aplicação e requisitos
8. Definir aplicação de forças
19. Criar modelo virtual melhorias
9. Definir forças desprezíveis
20. Criar nova malha
10. Criar modelo(s) virtual(is) sólido(s)
21. Processar e analisar inserção
11. Criar malha para CLIPE-BASE
22. Processar e analisar desmontagem
12. Processar e analisar inserção
23. Discutir eficiência do conceito
24. Discutir critérios para durabilidade
Deformação
S
Plástica?
25. Propor melhorias para o conceito
N
13. Processar e analisar desmontagem
Figura 5.1 - Fluxograma com a metodologia proposta
66
Na seqüência apresenta-se o detalhamento das fases da metodologia
proposta:
1. Seleção do conceito do clipe a ser analisado
O primeiro passo é a escolha, dentre as diversas opções de clipes existentes,
e mais tantas outras que podem ser criadas, do conceito de clipe que se tem
interesse em estudar. Essa escolha é necessária para permitir a análise mais
profunda do clipe em questão.
Ao fazer a escolha por um conceito de clipe já conhecido, a metodologia
proposta pretende melhorar o entendimento de seu desempenho, através da
contribuição individual de cada uma de suas características, podendo auxiliar no
ajuste ou calibração para uma determinada aplicação, e até mesmo revelar
possíveis novas utilizações para um clipe que sempre é usado num caso específico.
Ao focar na escolha de um conceito nunca ou raramente utilizado, a
metodologia visa auxiliar no inicio do estudo de um conceito diferente do comum,
servindo de ferramenta para a primeira rodada de otimização, o primeiro clipe
otimizado, antes de que sejam gastas quantias significativas de recursos em sua
validação física, que poderiam ser desperdiçadas em seguidas iterações e correções
na ferramenta de injeção; e finalmente, mesmo antes dos testes físicos, a discussão
se esse conceito pode ser considerado promissor e digno de dispêndio de recursos,
se sua utilização deveria ser incentivada, levando a maiores estudos de sua
aplicação.
2. Definição dos requisitos de aparência da peça
Como discutido nos capítulos anteriores, a injeção de peças plásticas exige
certos cuidados construtivos para a definição de suas dimensões e seleção do
material a ser utilizado, de modo que a aparência externa não seja comprometida.
Por isso é extremamente importante levar em conta para qual aplicação o clipe que
67
se pretende estudar está sendo considerado, entender quais são os requisitos de
aparência da peça.
Uma peça externa que fique a altura dos olhos do consumidor, ou que possa
ser facilmente notada por ele, por exemplo, não pode exibir marcas em sua face
visível (externa) causadas pela existência dos clipes, podendo levar ao
descontentamento ou desconforto do cliente, daí a preocupação em realizar um
projeto de clipe e de ferramenta para que isso não ocorra, ou seja, aumentam as
restrições e requisitos aos quais o clipe deve ser submetido desde o inicio de sua
concepção. Um exemplo é a relação entre a espessura do clipe em sua base, onde
há o contato com a parede da peça, e a espessura de parede da própria peça no
local onde o clipe está posicionado. Quanto maior essa relação, maior a chance de
ocorrerem marcas na face visível da peça resultantes da contração do material
durante o resfriamento do material, daí a fixação de um limite máximo para a
espessura da base do clipe. Esse fator pode ser atenuado pela seleção de um
material mais adequado, ou mesmo por um trabalho nos ângulos de extração da
ferramenta.
Por outro lado, à medida que a utilização da peça seja em região onde o
consumidor final não terá acesso, ou mesmo que não haja requisitos rigorosos de
aparência, se tornam menores as exigências, e conseqüentemente os recursos
necessários, no desenvolvimento do clipe, dando maior liberdade ao projeto, e
sendo uma grande oportunidade para que custos sejam evitados.
Caso não seja possível essa análise neste ponto do desenvolvimento, ou que
não haja uma aplicação previamente definida, e o intuito seja analisar o
comportamento do clipe de forma independente, não é problema algum em
prosseguir com a análise, pois ainda sim os resultados desejados, de compreensão
do desempenho do clipe, devem ser alcançados.
No entanto, é importante ter em mente que neste caso existe a possibilidade
de que grande parte da análise tenha que ser refeita, uma vez que a aplicação seja
definida, para aproximar o clipe da situação real.
68
3. Avaliação dos requisitos de manufatura
Uma vez definidos o conceito do clipe (formato genérico) e os requisitos de
aparência, o próximo passo é definir quais são os requisitos para tornar o clipe
manufaturável.
É nesse passo que são listadas as restrições de ferramental (injetora) e
processo derivadas do conceito do clipe selecionado, bem como os de aparência,
que estão diretamente ligados a como a ferramenta de injeção será conceituada.
Analisa-se também os impactos de custo pela utilização desse conceito, e quais as
limitações impostas à variação das características do clipe que serão estudadas.
A presença de um especialista em ferramentas é de suma importância neste
passo da metodologia, para direcionar à analise de um clipe bem próximo do real.
Novamente, como no item anterior, o estudo através da metodologia proposta
pode ser prosseguido, porém com um risco maior de se ter grande parte da análise
refeita, ou mesmo rejeitada, caso o clipe em questão, ou a variação da característica
estudada, seja impossível de ser manufaturada ou não atender às pretensões
econômicas da empresa, e todo o estudo ter que ser refeito.
4. Definição do CLIPE-BASE
De posse do conceito do clipe e suas restrições construtivas, define-se então
as características físicas do clipe (dimensões e material) que será utilizado como
base de comparação durante o estudo, e será chamado de CLIPE-BASE.
De acordo com Erhard (2006), fixações por clipe são altamente dependentes
do material polimérico, portanto a seleção do material deve ser feita com critério.
Utilizando-se da experiência em projetos, individual ou do grupo, ou do
conhecimento prévio obtido da literatura, definem-se todas as dimensões do clipe,
de modo que seja possível modelá-lo no ambiente virtual, próximo do que se
imagina que seria um clipe funcional, atendendo aos requisitos previamente
discutidos.
69
Recomenda-se
que
nessa
fase
o
clipe
seja
superdimensionado,
principalmente se existir a suspeita de proximidade muito grande do limite estrutural
do clipe, e garantir que análise do mesmo possa ser realizada, pois é necessário que
o clipe base atenda aos requisitos estruturais e solicitações às quais o clipe será
exposto, possibilitando a variação dos parâmetros quais se tem interesse em
analisar.
Aos resultados obtidos da análise do CLIPE-BASE serão comparadas as
análises subseqüentes, realizadas com a variação dos parâmetros.
5. Definição das dimensões da contra-peça
Definido o CLIPE-BASE, define-se então como será a contra-peça, na região
de contato e encaixe do clipe, bem como outras interfaces e relações que venham a
existir entre as peças. Quanto maior o detalhamento, mais completa será a análise.
Como exemplo temos as dimensões do furo pelo qual o clipe deverá passar e
se alojar, a espessura da peça ou possíveis restrições físicas ao movimento do clipe,
seja durante o estudo de inserção ou retenção.
6. Avaliação das linearidades e simplificações
Análises feitas pelo Método dos Elementos Finitos (MEF) podem ter seu grau
de complexidade, tanto no pré-processamento quanto no processamento, bastante
elevado, de acordo com a modelagem que é feita e seus requisitos. Por isso é de
extrema importância que seja feita corretamente a modelagem do caso em estudo e
a seleção eficiente das condições e do tipo de análise, de modo a não tornar uma
análise mais dispendiosa que o necessário.
Um fator que pode ser um grande complicador é o comportamento não-linear
do sistema em análise, e a análise propriamente dita.
70
Segundo Ruan (2005), as três maiores causas de não-linearidades para o
estudo de clipes são sua geometria, as propriedades do material e o contato durante
o movimento.
Caso a geometria seja muito complexa ou se altere significativamente durante
a análise, alterando a rigidez, direção de forças ou a relação entre os corpos
analisados (ou mesmo internamente a eles), não é possível utilizar a análise linear.
Outra causa de não-linearidade é o material, pois, após atingir o limite de
escoamento, o material passa a ter um comportamento não-linear (região plástica de
deformação), alterando sua rigidez, e afetando também o tipo de análise pelo MEF.
Outro fator mencionado por Ruan (2005) é o contato durante o movimento,
pois a identificação de sua localização e como essa se altera pode ser complicada,
além de a superfície poder entrar em contato e perder contato com muita facilidade.
Outro fator complicador relacionado ao contato é a existência do atrito. Existem
diferentes modelagens para o atrito, todas elas não-lineares quando contam com
movimento.
Realizar uma análise não-linear muitas vezes proporciona a obtenção de
resultados mais precisos, progressivos, e é necessária em casos mais complexos,
como quando é necessário incluir o contato entre peças em movimento, porém exige
um conhecimento muito maior de quem opera o programa, maior detalhamento do
comportamento da peça e do material. além de exigir também programas e
máquinas mais potentes e caros. Por isso, sempre que possível e após devida
análise, deve-se buscar um modelo que simplifique o sistema, mas mantenha a
integridade dos resultados esperados, e verificar profundamente os resultados para
garantir que sejam interpretados corretamente.
Simplificações podem ser feitas na modelagem, de modo a facilitar as
análises,
baseadas
nos
conhecimentos
de
resistência
dos
materiais,
do
funcionamento do programa de MEF e experiência, contanto que a modelagem
continue representativa para os objetivos que se deseja alcançar na análise.
Para a análise de clipes plásticos, tanto a montagem quanto a desmontagem
devem ser analisadas.
71
7. Seleção do tipo de análise para o MEF e do programa (software)
O nível de complexidade do caso a ser analisado e da modelagem feita vai
definir quais os programas que podem ser utilizados. Quanto mais complexo o caso,
a modelagem e a análise, mais complexo o programa deve ser, e geralmente o torna
mais caro. Todo o processo torna-se mais longo, caro e complexo.
Por isso, para que não haja desperdício de recursos sem necessidade, devese sempre optar pelo programa mais simples que seja capaz de realizar a análise.
Para isso é necessário o entendimento do que se precisa do programa, e pesquisa
de quais programas disponíveis atendem a essas necessidades. Deve-se considerar
tanto a análise da inserção quanto da desmontagem (retenção) do clipe.
Programas e análises mais complexos exigem mais tempo de préprocessamento e processamento, equipamentos (computadores) com maior
capacidade, maior conhecimento para sua utilização e, por possuírem maior número
de variáveis e seleções, o risco de erros durante a análise pode aumentar
consideravelmente. Vale lembrar que mesmo que o programa consiga processar a
análise e mostrar algum resultado, este pode não estar correto se houver algum erro
nos dados de entrada. Aqui vale a expressão em inglês GIGO (Garbage in, Garbage
out), que em uma tradução literal quer dizer ―Lixo entra, Lixo sai‖. Portanto, muito
cuidado é necessário durante o pré-processamento, para que nenhuma entrada
passe desapercebida.
Fatores importantes na seleção do programa são:
- linearidade (ou não-linearidade) geométrica do caso,
- análise poder atingir região de regime não-linear do material,
- análise estática ou dinâmica,
- complexidade das forças aplicadas,
- existência de contato entre as peças, vibração ou troca de calor,
- grau de complexidade da interface do programa com o usuário,
- capacidade do equipamento (computador) requerido pelo programa,
- capacidade do equipamento (computador) disponível,
- método de análise das tensões,
- variedade de opções no pós-processamento;
72
Alguns exemplos de programas disponíveis atualmente são o PATRAN (MSC)
e HYPERMESH (ALTAIR) (para pré e pós-processamento) e ABAQUS (SIMULIA),
LS-DYNA, MSC-NASTRAN, ADAMS (MSC), ANSYS e SOLID WORKS (para o
processamento).
8. Definição do método de aplicação das forças
O método de análise e o programa selecionado definem como será feita a
aplicação das forças no clipe.
Para uma análise dinâmica, onde o programa executará a movimentação do
clipe no sentido de inserção (e retenção), o parâmetro de entrada será o
deslocamento da base do clipe nessa direção (peça onde o clipe está integrado).
Deve-se modelar virtualmente tanto o clipe e a região da peça integrada em
questão, quanto a contra-peça.
Definidas as restrições e condições de contorno e de contato, o próprio
programa irá gerar as forças de reação e o deslocamento do clipe. Como dado de
saída, então, tem-se a força necessária para o deslocamento do clipe (força de
inserção ou retenção), deslocamento e deslocamento residual (plástico), para
análise não-linear e as tensões internas.
Se para a condição de interesse for possível a simplificação até uma condição
de análise estática linear, apesar de menos complexa, é necessário fazer o
modelamento das forças aplicadas, incluindo as forças de reação com a contrapeça, através do Diagrama de Corpo Livre (DCL), cada uma com suas devidas
direções, e fazer a decomposição das mesmas nas direções principais, para
simplificar o pré-processamento.
Nesse caso, listam-se as forças atuantes na inserção e retenção,
separadamente, tanto as aplicadas externamente (força de inserção ou retenção),
quanto as reativas (provenientes da contra-peça), que podem incluir as forças de
atrito, para, em conjunto com a capacidade do programa selecionado, definir como
devem ser essas entradas.
73
9. Definição das forças desprezadas
Em seguida analisam-se quais dessas forças podem ou devem ser
desprezadas, seja por magnitude, quando comparada às outras forças atuantes, ou
que não afetam o estudo, para simplificação do modelo e do processo de análise
como um todo, ou pela falta de capacidade do programa em analisar certas forças,
como o atrito, por exemplo. Nesse caso, deve-se modelar o atrito como uma força
adicional, se for importante para a análise do sistema.
Vale lembrar que quanto mais simples o modelo, garantindo que represente
de maneira eficiente a condição desejada, mais simples, rápido e menos custoso o
processo como um todo se torna.
10. Criação do(s) modelo(s) virtual(is) sólido(s) do CLIPE-BASE
Depois de definidas as dimensões do CLIPE-BASE, e se existe a
necessidade de um modelo virtual sólido da contra-peça, deve-se criar o modelo
virtual sólido do CLIPE-BASE e da contra-peça (caso necessário), que pode ser feito
no ―pré-processador‖ do programa de MEF, ou em um programa de modelamento
virtual gráfico (como o CATIA ou UNIGRAPHICS); nesse caso, deve-se atentar para
qual o tipo de arquivo (extensão) deve ser exportado desse programa, que possa ser
reconhecido pelo programa de MEF.
11. Criação da malha do CLIPE-BASE
Uma vez modelado(s) o(s) sólido(s) virtual(is), deve-se gerar a malha (nós e
elementos) desse(s) modelo(s) sólido(s), necessária para o processamento no
programa de MEF.
Novamente, o método de análise (linear, estático, etc) e o programa
selecionado definem qual o tipo de malha deve ser selecionada. Normalmente para
74
esse tipo de estudo, e pelas dimensões reduzidas do clipe, opta-se por elementos
sólidos, pequenos, de primeira ou segunda ordem.
Para uma análise mais detalhada, onde mostrar-se muito importante a
localização precisa das forças aplicadas (em nós ou face do elemento), ter deve-se
optar por gerar a malha manualmente, de modo a tornar a malha mais uniforme
(menos aleatória), e os nós (ou face do elemento) nos locais desejados.
Da mesma maneira que a criação do modelo virtual, a malha pode ser gerada
no ―pré-processador‖ do programa de MEF, ou em um programa de modelamento
virtual gráfico, lembrando que deve-se atentar para qual o tipo de arquivo (extensão)
deve ser exportado desse programa, que possa ser reconhecido pelo programa de
MEF.
12. Processamento do programa e análise das tensões na inserção do CLIPEBASE:
Após a geração da malha, gerada no pré-processador do programa de MEF, ou
importada para ele, deve-se adicionar as entradas definidas nos itens anteriores
para a inserção do CLIPE-BASE no pré-processador, incluindo as propriedades do
material, as condições de contorno (restrições físicas). É necessário ser capaz de
manipular o programa, ou contar com um especialista, para que as entradas sejam
feitas corretamente.
Realiza-se então o processamento, através do processador do programa de
MEF, gerando um arquivo com os resultados.
Já no pós-processador, acessa-se o arquivo gerado no processamento.
Seleciona-se então o método de análise dos resultados, geralmente através das
Tensões Equivalentes, pelo critério do Tensor das Tensões de von Mises, gerando
assim os resultados gráficos (através de uma escala de cores) para as tensões e
para as deformações, além dos valores máximos e mínimos.
Deve-se verificar se a tensão máxima ultrapassou tensão de escoamento
(deformação plástica); caso tenha ultrapassado, o CLIPE-BASE deverá ser
modificado e reavaliado, voltando ao passo 4 (Definição do CLIPE-BASE).
75
Após as devidas iterações, caso elas sejam necessárias, deve-se então obter a
força de inserção, a qual servirá de parâmetro para comparação nos passos adiante.
13. Processamento do programa e análise das tensões na desmontagem do
CLIPE-BASE (retenção):
Segue-se os mesmos passos do item anterior, desta vez para a desmontagem,
avaliando a retenção.
Do mesmo modo, deve-se verificar se a tensão máxima ultrapassou tensão de
escoamento (deformação plástica); caso tenha ultrapassado, clipe deverá ser
modificado e reavaliado, voltando novamente ao passo 4 (Definição do CLIPEBASE).
Atenção para o fato de caso o CLIPE-BASE deva ser modificado por ter
ultrapassado a tensão de escoamento na análise de retenção, a reavaliação da
inserção também deve ser refeita.
Após as devidas iterações, caso elas sejam necessárias, deve-se então obter a
força de retenção, a qual servirá de parâmetro para comparação nos passos adiante.
Caso haja mais de uma iteração, os últimos resultados, onde a tensão máxima
de inserção e desmontagem não ultrapassa a tensão máxima do material, devem ser
utilizados.
Concluído este passo, têm-se os resultados do comportamento do CLIPEBASE durante a inserção e desmontagem. Esses resultados, as forças de inserção e
retenção, serão utilizados como base de comparação para o entendimento da
influência dos parâmetros que se desejam discutir.
14. Definição das características de interesse do clipe
Completada a fase de análise do CLIPE-BASE, busca-se agora entender
quais são as características físicas do clipe que podem ser alteradas, quais os
76
impactos de manufatura, custo e tempo nessa alteração, e qual a influência de cada
uma delas no comportamento e desempenho do clipe.
Recomenda-se um brainstorming nesta fase, onde devem ser listadas todas
as características físicas (geométricas e de material) que se tem interesse em
avaliar.
Com a lista em mãos, a alteração de cada uma das características deve ter
sua viabilidade, tanto fisicamente quanto do ponto de vista do negócio (tempo e
custo), avaliada antes de iniciar-se o processo de análise de influência da mesma,
sendo as rejeitadas eliminadas da lista.
Deve ser levado em conta:
- viabilidade de manufatura: ainda é possível produzi-lo?
- diferença de custo para sua fabricação: o ferramental ficará mais caro ou
custo de peça será elevado?
- impacto na aparência: continua atendendo os requisitos de aparência?
- impacto na contra-peça
- impacto na análise virtual: altera modelagem, metodologia de análise pelo
MEF ou programa necessário?
Caso as informações não estiverem disponíveis no momento para uma dada
característica, ou se existem duvidas, deve-se prosseguir com a analise da mesma,
e rediscuti-la no futuro, com mais informações.
De forma geral, na fase de projeto as modificações costumam ter impactos
reduzidos, ou mesmo inexistentes, pois a ferramenta (molde) também está em fase
de estudo e projeto, de modo que ela poderá ser construída de maneira otimizada
na primeira vez, e não realizar retrabalhos ou adaptações, o que ocorreria caso a
ferramenta já estivesse pronta.
15. Avaliação das características individualmente:
Para cada uma das características de interesse remanescentes na lista do item
anterior deve-se, separada e individualmente, alterar somente a característica em
questão no CLIPE-BASE, e realizar a mesma análise feita com o CLIPE-BASE.
77
Na seqüência é mostrado um breve resumo das operações:
- definição de quanto a característica será alterada
- criação novo modelo virtual sólido do clipe, variando somente a característica
em questão, partindo do CLIPE-BASE
- criação da nova malha
- aplicação da mesma metodologia de cargas aplicada ao CLIPE-BASE para
inserção
- obtenção da força de inserção
- comparação dos valores de força de inserção obtidos no novo clipe com as
obtidas anteriormente para o CLIPE-BASE, e análise de melhora ou piora (melhor
igual menor)
- aplicação da mesma metodologia de cargas aplicada ao CLIPE-BASE para
desmontagem
- obtenção da força de retenção
- comparação dos valores de força de retenção obtidos no novo clipe com as
obtidas anteriormente para o CLIPE-BASE, e análise de melhora ou piora (melhor
igual maior, sem deformação plástica)
Deve-se repetir essas etapas para cada uma das características, sempre
partindo do CLIPE-BASE, e fazendo a comparação com os valores obtidos do
CLIPE-BASE, como análises em paralelo, e não seqüenciais.
16. Elaboração de tabela comparativa das características analisadas
Montar uma tabela que reúna, para cada uma das características variadas
individualmente analisadas, os valores obtidos para forças inserção e retenção,
demonstrando de forma porcentual melhora ou piora do desempenho do clipe
quando comparados ao CLIPE-BASE, e quanto a variação da característica
representa variação nas forças.
Cria-se também uma última linha onde soma-se todas as variações das forças
em relação ao clipe base, que é o esperado se todas as alterações forem feitas em
um único clipe.
Na tabela 5.1 é indicado um exemplo de análise:
78
Onde:
Variação Força/CLIPE-BASE = força obtida no novo clipe dividido pela força obtida no CLIPE-BASE
(para Inserção e para Retenção) [%]
∆(%)Força / ∆(%) Característica = Porcentagem da variação da força dividido pela porcentagem da
variação da característica; representa quanto a força varia de forma porcentual para a variação
percentual da característica
Tabela 5.1 - Exemplo de tabela comparativa
17. Análise da tabela
Através dos resultados da tabela, fica claro como a variação de cada
característica influencia nas forças de inserção e retenção, de forma porcentual, e se
agem de mesma maneira para ambas as forças ou de maneira conflitante,
melhorando uma e piorando a outra. Para esses casos vale a discussão dos
resultados conflitantes e se existe vantagem em alterar essa característica.
18. Escolha da aplicação para definição dos requisitos de ergonomia e
retenção
Para a aplicação dos conhecimentos obtidos das análises realizadas, parte-se
então para uma nova avaliação, desta vez balizada por requisitos de ergonomia e
retenção advindos de uma possível aplicação dos clipes.
Deve-se então selecionar o tipo de peça a ser analisada e sua aplicação
(localização no veículo), definindo os parâmetros de ergonomia (posição de
79
montagem e do operador), diretamente ligados aos requisitos de força de inserção
máxima, e as cargas que a peça deve suportar, diretamente ligadas aos requisitos
de retenção da mesma; ou seja, definem-se os valores das forças de inserção
máxima e retenção mínima contra as quais os clipes devem ser avaliados.
Definidos os requisitos das forças, repete-se as análises realizadas, desta vez
utilizando os resultados das análises anteriores, com todas as modificações em um
único clipe.
19. Criação do modelo virtual sólido do clipe com as melhorias individuais
Para validar as análises realizadas e se a correlação dos resultados é direta
como demonstrado na tabela elaborada no item 16, propõe-se aplicar as melhorias
decorrentes das análises individuais em um único clipe, e então comparar os
resultados com os valores esperados da tabela.
Deve-se gerar um novo modelo virtual do clipe para análise, a partir o CLIPEBASE, mas desta vez com todas as modificações das analises anteriores no mesmo
modelo.
20. Criação da nova malha
Novamente deve ser gerada a malha para o novo modelo virtual do clipe em
análise, necessária para o processamento no programa de MEF, seguindo as
mesmas recomendações dos itens 11 e 15.
21. Realização da análise da força de inserção do clipe
Para o novo modelo, deve-se realizar as mesmas operações de análise dos
itens 12 e 15 para obtenção da força de inserção.
80
A força encontrada deve então ser comparada ao valor encontrado na análise
do CLIPE-BASE, ao valor esperado pela aplicação da tabela e à força de inserção
máxima requerida pela aplicação selecionada no item 18, e seus resultados
discutidos.
22. Realização da análise da força de retenção do clipe
Para o novo modelo, deve-se realizar as mesmas operações de análise dos
itens 12 e 15 para obtenção da força de retenção.
A força encontrada deve então ser comparada ao valor encontrado na análise
do CLIPE-BASE, ao valor esperado pela aplicação da tabela e à força de retenção
mínima requerida pela aplicação selecionada no item 18, e seus resultados
discutidos.
23. Discussão da eficácia do conceito de clipe analisado
Com base na análise e resultados das comparações realizadas nos itens
anteriores é possível iniciar uma discussão quanto à eficácia do conceito do clipe
escolhido em atender aos requisitos de ergonomia e retenção, levantando seus
pontos positivos e negativos.
Avaliar quão bem (ou mal) esse conceito respondeu às análises, e qual a
probabilidade desse conceito poder suprir as necessidades apresentadas, e o que
precisaria ser feito para atingir esse objetivo.
Também deve-se tirar conclusões finais sobre o aprendizado sobre o conceito
do clipe, e quais seriam as aplicações recomendadas e as não recomendadas.
81
24. Discussão dos critérios de durabilidade
Com base na aplicação selecionada e desempenho do clipe nas análises,
discutir sobre os pontos de durabilidade como fadiga, desgaste por atrito, efeito do
tempo sobre o material e deformações plásticas, sobre o que pode ser extraído das
análises virtuais e o que não pode ser estimado devido às limitações computacionais
(simplificações adotadas na metodologia e limitações do programa utilizado).
25. Propostas para melhorias no conceito
De posse da análise da eficiência do conceito do clipe, propor melhorias no
conceito que aperfeiçoariam seu desempenho, e para sua utilização, para aumentar
suas chances de atender aos requisitos da aplicação.
82
6. ESTUDO DE CASO
A seguir será apresentado um estudo de caso para demonstrar a aplicação da
metodologia proposta, passo a passo.
Será utilizado um caso simples, para facilitar a análise e o entendimento da
metodologia, uma vez que não é o objetivo desse estudo o aprofundamento em
aspectos como especialização em programas de MEF ou projeto de ferramenta, e
sim a validação da metodologia proposta.
1. Seleção do conceito do clipe a ser analisado
O conceito de clipe selecionado para esse estudo de caso é o que pode ser
considerado um dos mais simples possíveis, tanto construtivamente quanto
geometricamente, e também é um dos mais comuns na indústria, segundo Ruan
(2005).
Figura 6.1 - Conceito de clipe selecionado
É composto de um corpo de seção retangular, perpendicular à base da peça à
qual está integrado, possuindo mais material na extremidade. Esse material
adicional é responsável pelo encaixe da peça na contra-peça, que é feito através da
flexão do corpo para vencer a posição do furo, e retorna à posição inicial, agindo
para a retenção da peça.
83
Figura 6.2 - Movimento de encaixe do conceito de clipe selecionado:
(a) Clipe e contra-peça antes da montagem; (b) Clipe inicia flexão com o contato inicial;
(c) Clipe próximo à flexão máxima; (d) Clipe encaixado e retornado à posição não-flexionada
(Fonte: Troughton)
Para facilitar o encaixe (montagem), é adicionado um ângulo à extremidade
do clipe, que funciona como um ―convite‖, de modo a distribuir melhor as
componentes da força que atua no clipe durante a montagem. No lado oposto, para
dificultar a desmontagem, utiliza-se um ângulo bem maior, que pode chegar a 90º
caso não se planeje desmontagens sem danificar o clipe.
Figura 6.3 - Ângulos de convite e retenção do conceito de clipe selecionado
No conceito selecionado, o clipe se situa afastado da borda da peça, que
possui uma certa espessura constante. Define-se também que o clipe se localiza na
parte interna de uma das paredes da peça que é visível ao consumidor.
84
2. Definição dos requisitos de aparência da peça
Como regra geral para injeção de peças plásticas, estruturas adicionadas às
paredes da peça devem obedecer a um valor máximo da relação espessura na base
da estrutura (onde é presa à peça) pela espessura de parede da peça na região
onde a estrutura é presa para que não essas estruturas não causem marcas no lado
oposto da parede, geradas pela contração do material acontecer de maneira
diferente do que acontece no restante da peça, devido ao acúmulo de massa (a
região acaba resfriando mais tardiamente, e gera tensões internas com as regiões
que resfriaram mais rapidamente), e que resultam em deformações localizadas.
Essa relação não deve ultrapassar 33% na maioria dos materiais plásticos e
nos processos de injeção comumente utilizados.
Será considerado nesse estudo de caso que a peça em questão localiza-se
na parte externa do veículo, em região visível pelo consumidor, portanto a peça
possui requisitos de aparência, não podendo apresentar marcas ou deformações, e
deve, portanto, respeitar a essa relação máxima de 33%.
Figura 6.4 - Relação entre espessuras para garantir aparência desejada
3. Avaliação dos requisitos de manufatura
Assumindo a direção de extração da peça na ferramenta como perpendicular
à parede principal da peça, parede na qual o clipe se encontra, situação comum em
peças externas, por possuírem bordas para o fechamento da peça, o aumento de
espessura na extremidade do clipe com o recuo para possibilitar o encaixe geram o
85
que é chamado de contra-saída, que impede o movimento principal da ferramenta.
Para este caso, é necessário um movimento secundário na ferramenta para
possibilitar a manufatura do clipe, que aumenta o custo da ferramenta, mas, para
este caso de maneira pouco significativa. Esse tipo de alteração na ferramenta é
relativamente simples e amplamente conhecido no mercado, podendo ser realizado
com a utilização de uma pinça ou mesmo a utilização de ―gavetas‖ (ou lifters em
Inglês).
Uma restrição imposta pelas ferramentas de injeção é um valor mínimo para
espessuras, para que seja possível o fluxo do material e o preenchimento total da
ferramenta. Para casos de extrema necessidade, pode-se trabalhar com valores
próximos de 0,5mm, mas superior a ele. Recomenda-se um mínimo de 1mm, para
evitar riscos. Esse requisito vai de encontro com o requisito de aparência do item
anterior (espessura máxima), por isso devem ambos serem considerados durante a
definição das dimensões do clipe.
Outra restrição de ferramenta é em relação a espessuras mínimas dos
componentes da própria ferramenta, que podem se tornar frágeis ou não suportar a
pressão imposta durante a injeção. Para o clipe em estudo, recomenda-se um
mínimo de 3 mm de espessura de aço na ferramenta, mais especificamente no
componente que realizará o movimento secundário, entre a região de encaixe
(acúmulo de massa) na extremidade do clipe e a parede da peça (base do clipe).
Figura 6.5 - Distância mínima para garantir que clipe seja manufaturável
De maneira a garantir a manufaturabilidade do clipe, o departamento de
desenvolvimento de produto deve sempre exigir que o departamento de manufatura
apresente o estudo de DFM (Design for Manufacturing), ou Projeto para Manufatura,
durante um projeto, no qual é feita toda a análise de extração, deformação e
86
preenchimento da peça (através de análise virtual), baseada no modelo virtual sólido
da peça e clipes.
De maneira geral, por ser um clipe muito simples, atentando-se para os
requisitos, o clipe pode ser manufaturável sem problemas.
4. Definição do CLIPE-BASE
Para a definição das dimensões do CLIPE-BASE deve-se considerar as
restrições impostas ao clipe e à peça, tanto internas quanto as de outros
departamentos, como avaliado nos itens anteriores.
Por aparência, deve-se atender à relação de espessuras entre a base do clipe
e a parede da peça (menor que 33%); por manufatura, deve-se respeitar os mínimos
de espessura da peça (fluxo de material) e ferramenta (fragilidade), além de ângulos
de extração; ainda em manufatura, porém na área de montagem, deve-se estar
atento aos critérios de ergonomia (neste caso, ângulo de ―convite‖ do clipe); na área
de engenharia do produto, deve-se estar atento aos requisitos de retenção e
serviços (neste caso, ângulo ―para retenção‖ do clipe e capacidade de
desmontagem). Não se pode deixar de lado a análise dos impactos econômicos de
cada um dos itens acima.
Para peças externas ao veículo, como para este estudo de caso,
normalmente utiliza-se espessuras de parede da peça de 3 a 4 mm; por razões
econômicas, a utilização de espessuras maiores seria um desperdício de recursos.
Seguindo a recomendação de superdimensionar o clipe nesta fase, a espessura da
parede da peça será definida como 3 mm, possibilitando que o clipe tenha 1 mm de
espessura em sua base, para seguir a recomendação de 33% da espessura de
parede da peça. A espessura do clipe será constante.
Essas duas espessuras (3 mm e 1 mm) atendem à especificações de
espessura mínima de manufatura para a peça, que é de 0,5 mm.
Para atender a espessura mínima dos componentes da ferramenta, que é de
3 mm, será utilizada uma distância de 4 mm do vértice do encaixe do clipe até a
base da peça, garantindo assim o mínimo de 3 mm.
87
Figura 6.6 - Dimensões das espessuras do clipe
O vértice do encaixe do clipe é a região do clipe que deve ser ultrapassada
pela contra-peça para que o encaixe ocorra, portanto sua altura, em conjunto com as
dimensões da região de encaixe da contra-peça, definirá a deflexão máximo do
clipe. Definindo para este caso que o encaixe desejado é de 0,5 mm, essa deve ser
a interferência entre a contra-peça e o clipe em sua posição não-flexionada. A altura
do vértice do encaixe em relação ao clipe deve ser maior que 0,5 mm, para absorver
pequenas variações, sejam de montagem, sejam de construção das peças em
questão; logo, será definida em 0,75 mm.
Figura 6.7 - Dimensões para o encaixe do clipe
Os ângulos de ―convite‖ e retenção são proporcionais às forças de inserção e
retenção, ou seja, quanto maior eles forem, maior as forças para inserção e de
retenção. Por isso, seguindo o desejo de menor força de inserção e maior força de
retenção, será definido um ângulo de convite pequeno na inserção (15º) e maior
para retenção (70º).
88
Figura 6.8 - Dimensões dos ângulos de convite e retenção do clipe
Será definido o comprimento total do clipe como 8,5 mm, para acomodar a
distância de 4 mm do vértice do encaixe à base do clipe e ainda permitir que a ponta
do clipe possa ultrapassar a contra-peça sem interferência, dado o ângulo de 15º.
A largura do clipe será definida em 5 mm, e o material da peça, e
conseqüentemente do clipe, será o Nylon (nome comercial dado a um tipo de
poliamida que apresenta ótima resistência ao desgaste e ao tracionamento). Ambos
baseado na experiência com clipes.
Algumas propriedades médias importantes desse matéria, segundo Ullman
(1992): E = 2,76 GPa (Modulo de Tensão), σy = 117 MPa (Tensão de Escoamento) e
‫ע‬
= 0,35 Coeficiente de Poisson, segundo fabricante TAMSHELL).
5. Definição das dimensões da contra-peça
Primeiramente deve-se definir o material da contra-peça, que será necessário
para definição do coeficiente de atrito μ. Define-se o material da contra-peça como
sendo o mesmo Nylon 66 da peça e clipe. De acordo com Ullman (1992), o
coeficiente de atrito para Nylon com Nylon é 0,08.
Para permitir o encaixe, a contra-peça deve possuir um furo pelo qual o clipe vai
atravessar, e como definido no item anterior, com uma interferência de 0,5 mm com
o vértice de encaixe do clipe (ver figura 6.7), e será assumida a não existência de
deformação da contra-peça durante a montagem do clipe, devido a sua espessura.
89
6. Avaliação das linearidades e simplificações
Deve-se analisar as possíveis causas de não-linearidades do estudo de caso
proposto.
Os materiais em geral, segundo gráficos de Tensão x Deformação, possuem
uma região de comportamento linear quando sob solicitação mecânica, que se situa
entre a tensão aplicada nula e a tensão de escoamento, após a qual o material sofre
deformação plástica, também chamada de deformação permanente ou residual, ou
seja, não retorna à posição ou forma original quando a solicitação termina.
Para o estudo de clipes em geral, deseja-se que durante o trabalho do clipe
de encaixe e desencaixe a tensão seja sempre mantida na região linear de
deformação, de modo a garantir sua integridade física e a manutenção da
capacidade de retorno do clipe a sua posição original. Caso a tensão ultrapasse a
tensão de escoamento durante a montagem, a interferência de 0,5 mm definida para
o estudo de caso será reduzida, e com isso a retenção do clipe também será
reduzida.
É importante analisar como a geometria pode ser alterada durante o trabalho
do clipe, alterando as condições da análise, o que causaria uma não-linearidade.
Para o clipe em estudo, o deslocamento máximo do vértice do encaixe será mínima,
de 0,5 mm como discutido anteriormente, logo a variação nos ângulos em estudo
decorrentes dessa variação também é pequena, e seu efeito pode ser desprezado.
Segundo Bonenberger (2005), é possível identificar o ponto mais crítico da
movimentação do clipe, tanto na inserção quanto na retenção, se desprezada a
variação do ângulo de retenção, que é o clipe em sua flexão máxima para ambos os
casos, onde a força de contato com a contra-peça está sendo aplicada próxima ao
vértice do encaixe, e perpendicular à superfície, por ser de contato.
Na montagem e desmontagem do clipe, por causa do contato, existe a ação
também da força de atrito, que não é possível de ser analisada na maioria dos
programas de MEF. Para o caso em questão, em análise estática, segundo Ullman
(1992), a força de atrito pode ser adicionada como uma força externa, paralela à
superfície e aplicada no ponto de contato.
90
7. Seleção do tipo de análise para o MEF e do programa (software)
Conclui-se das discussões dos itens anteriores que as não linearidades
podem ser consideradas desprezíveis, sendo possível a realização de uma análise
linear estática, sendo o contato substituído por forças externas no modelamento.
Essas forças podem ser, sem grandes complicações, decompostas nas
direções de interesse, e assim analisadas de maneira estática.
Outro ponto importante é o método com o qual se pretende analisar os
resultados. Nesse estudo de caso, busca-se a resposta das tensões e
deslocamentos às solicitações de montagem e desmontagem. Recomenda-se a
análise pelo critério de von Mises para as tensões e deslocamentos.
Respeitando-se os requisitos acima mencionados, será utilizado o MSC
Patran 2007 para pré e pós-processamento, e o Nastran 2007 para o
processamento, que satisfazem as condições acima.
8. Definição do método de aplicação das forças
Como discutido anteriormente, a análise realizada pelo MEF será linear
estática, e as forças reativas de contato geradas durante a montagem, que atuam
para a flexão do clipe, devem ser vencidas pelo operador para assegurar a
montagem e desmontagem do clipe, e conseqüentemente da peça em questão.
Parte-se do Diagrama de Corpo Livre (DCL), considerando o clipe e a contrapeça no contato, na situação de maior flexão do clipe. O contato gera no clipe a
força normal (N), perpendicular à superfície do clipe, e a força de atrito (T), paralela
à superfície e contrária à direção da peça.
91
Onde:
F’ = força de montagem ou desmontagem (aplicada pelo operador)
N = força de reação normal à superfície do clipe
T = força de reação de atrito paralela à superfície do clipe
Figura 6.9 - Contato e Diagramas de Corpo Livre
As forças de interesse são na direção do movimento da peça (F), que será
aplicada pelo operador ou montador da mesma (F’), e a na direção de flexão do clipe
(D), que será responsável pela flexão.
Figura 6.10 - Forças nas direções de interesse
Decompõe-se as forças reativas N e T nas direções de interesse F e D:
92
Figura 6.11 - Decomposição das forças
Na inserção (segundo Ullman (1992)):
N = D.cos(α) + F.sen(α)
(1)
T = F.cos(α) - D.sen(α)
(2)
A relação entre a força normal e a força se atrito, segundo a Resistência dos
Materiais é:
T = μ.N
(3)
Substituindo (1) e (2) em (3), tem-se:
D = F . [1 - μ.tan(α)]
(4)
tan(α) + μ
F = D .[tan(α) + μ]
1 - μ.tan(α)
Repetindo o processo para a retenção:
(5)
93
N = D.cos(β) + F.sen(β)
(6)
T = F.cos(β) - D.sen(β)
(7)
A relação entre a força normal e a força de atrito, segundo a Resistência dos
Materiais é:
T = μ.N
(8)
Substituindo (6) e (7) em (8), tem-se:
D = F . [1 - μ.tan(β)]
(9)
tan(β) + μ
F = D .[tan(β) + μ]
(10)
1 - μ.tan(β)
No modelamento, o método de aplicação das forças se dará pelas forças
decompostas acima D e F.
Deseja-se encontrar qual a força D é capaz de flexionar o clipe de modo ao
vértice de encaixe do clipe mover-se 0,5 mm, necessários para o encaixe. Pela
relação entre D e F (dadas pelas equações 4 e 9), será encontrada a força F, que
indicará a força de inserção ou retenção, procuradas para confronto com os
requisitos de projeto.
Também, de posse dessas duas forças, calcula-se N e T, pelas equações 1, 2
6 e 7.
No modelo, será aplicada uma força D de 1 N, e a força F subseqüente
(calculadas pelas equações 4 e 9), e através do MEF, será obtido o deslocamento
do vértice do encaixe na direção de D. Estando ainda no regime linear elástico do
material (não ultrapassando a tensão de escoamento), o comportamento do material,
das tensões e do deslocamento é linear, portanto é possível encontrar um fator que
ao multiplicar o deslocamento encontrado se obtém o deslocamento desejado, que é
de 0,5 mm. Em seqüência, usa-se esse fator para multiplicar as forças aplicadas D e
F, obtendo-se os novos valore de forças de inserção ou retenção, para se obter,
94
através de nova análise pelo MEF, a nova tensão máxima na peça. O deslocamento
encontrado deve ser checado, e deve ser os 0,5 mm desejados.
Para simular a distribuição da força de contato, as forças D e F serão
discretizadas em pequenas forças nos nós ao longo da linha do vértice do encaixe,
excluindo apenas os nós das paredes laterais, que em testes realizados, mostram
claro acúmulo de tensão nos mesmos (vértice de 3 superfícies), muito maior que os
encontrados nos outros nós onde a força foi discretizada, e por isso devem ser
descartados, pois não mostram a realidade do comportamento, e levariam a uma
interpretação errônea.
Figura 6.12 - Acúmulo de tensão nos nós da parede lateral
9. Definição das forças desprezadas
Nesse estudo de caso, a força de atrito foi considerada como uma força
externa, não sendo desprezada.
95
10. Criação do(s) modelo(s) virtual(is) sólido(s) do CLIPE-BASE
Utilizando as dimensões discutidas nos itens anteriores, foi criado o modelo
virtual sólido do clipe, utilizando o Unigraphics NX5. O modelo foi então exportado
como um para-sólido, para ser importado e utilizado na análise de MEF pelo MSC
Patran e Nastran.
Para o dimensionamento da largura e altura da parede da peça na qual o
clipe é integrado, os mesmo testes realizados para o entendimento da discretização
das forças do item anterior mostrou que as tensões do clipe não ultrapassam 0,5 mm
da base do clipe, portanto a parede da peça foi modelada com 3 mm além do clipe,
nas 4 direções.
Figura 6.13 - Dimensões do Modelo Virtual Sólido do Clipe-Base
11. Criação da malha do CLIPE-BASE
Como ponto de partida para geração da malha que será utilizada na análise
pelo MEF, deve-se importar o modelo virtual sólido para o programa de MEF,
garantindo sua integridade como sólido e nas dimensões corretas, então deve-se
96
definir qual o refinamento da malha, ou seja, tamanho de cada elemento. Quanto
mais refinada a malha, mais discretizada ela fica, e o ponto de localização das
tensões fica mais definido; por outro lado, quanto mais refinada, maior o numero de
elementos e nós, aumentando a capacidade necessária do processador (máquina) e
o tempo de processo.
Para o estudo de caso, optou-se por um elemento Tetraédrico de segunda
ordem (10 nós por elemento), comumente utilizado na análise de tensões em
sólidos. Foi definido um mínimo de duas fileiras de elementos ao longo da parede
lateral do clipe, para definir-se o tamanho de cada elemento.
Figura 6.14 - Requisito de mínimo de duas fileiras de elementos na lateral do clipe
Testes realizados com diferentes tamanhos de elementos mostraram que o
comprimento máximo de aresta que possibilitaria as duas fileiras de elementos é 0,7
mm, e qualquer valor de aresta menor que 0,4 mm gera três fileiras de elementos na
parede lateral do clipe.
Realizou-se um estudo para o modelo do CLIPE-BASE, com um
carregamento simples na extremidade do clipe, para comparação dos valores
obtidos, analisando o número de nós e elementos, e as tensões e deformações
obtidas.
97
Tabela 6.1 - Avaliação de diferentes refinamentos de malha
As análises mostraram que o número de nós e elementos aumenta
exponencialmente conforme é reduzido o tamanho da aresta. Nota-se também que a
variação das tensões e deslocamentos obtidos não ultrapassa os 5% quando
comparados os comprimentos de aresta 0,40 mm e 0,55 mm, e fica próximo dos
10% quando comparados 0,40 mm e 0,70 mm. O tempo de processamento é outro
fator que varia bastante, sendo que para o comprimento de 0,40 mm o tempo é
cerca de 11 vezes maior que para 0,70 mm e 6 vezes maior que para o comprimento
de 0,55 mm.
Baseado nessas análises, foi selecionada a malha com elementos de aresta
de 0,55 mm, devido aos resultados terem variação pequena, o estudo se basear em
comparações entre análises e limitações em capacidade computacional.
Figura 6.15 - Malha com elementos Tetraédricos de segunda ordem de aresta 0,55 mm
98
12. Processamento do programa e análise das tensões na inserção do CLIPEBASE:
Com a malha gerada, adiciona-se no programa de elementos finitos as
entradas de forças e restrições da peça.
A peça teve sua face oposta ao clipe restringida tanto em sua rotação quanto
em sua translação (vetores em verde na Figura 6.16).
Em relação às forças, a malha criada gerou um total de 10 nós ao longo da
linha de vértice do encaixe. Excluindo-se os nós da parede lateral, fica um total de 8
nós, nos quais se distribuiu 1N na direção da força D, sendo 0,13 N em cada nó
nessa direção. Pela equação (5) do item 8 deste capítulo, a força total na direção de
F é 0,356 N, sendo 0,044 N em cada um dos 8 nós. A resultante dessas forças em
cada um dos 8 nós ficou então 0,1372 N, quase perpendicular à superfície.
Figura 6.16 - Malha com restrições e forças aplicadas
99
Adicionadas ao modelo as características do material (E = 2,76 GPa, σ y = 117
MPa, ‫ = ט‬0,35 e μ = 0,08), o modelo pode então ser processado.
Figura 6.17 - Tensões Equivalentes - Critério de von Mises
100
Figura 6.18 - Detalhe das Tensões
101
Figura 6.19 - Magnitude das Deformações
Figura 6.20 - Deformações na direção Y (da força D)
102
Analisando as tensões pelo critério de von Mises, nota-se que o pico foi de 4,66
MPa ao redor de um dos pontos de aplicação das forças, mesmo desprezando-se o
valor no nó onde as forças estão aplicadas pois indicam valores irreais de tensão
concentrada e se encontra no local de aplicação das forças. Isso aconteceu
decorrente à discretização das forças, o que no caso real é distribuído pela linha de
contato entre a contra-peça e o clipe. Analisando as outras regiões da peça, verificase que o valor máximo de tensão não ultrapassa 4,33 MPa. Para comparação entre
os modelos será utilizado o pior caso, o valor do pico da força aplicada, ainda abaixo
da tensão de escoamento.
Nota-se também que a tensão não avança na parede da peça ao redor do
clipe, validando a escolha do tamanho da placa no qual o clipe está integrado, de 3
mm mínimo ao redor do clipe do clipe.
Em relação aos deslocamentos, considerando o deslocamento na direção Y,
que é a direção da força D, de interesse, foi obtido 0,0223 mm, menor que 0,5 mm
desejado.
Tabela 6.2 - Parâmetros de Inserção
Como o comportamento do clipe continua linear, obtém-se o fator multiplicador
necessário para que o deslocamento em Y no vértice do encaixe atinja o 0,5 mm
desejado para o encaixe: 22,422. Esse fator será utilizado para multiplicar as forças
de entrada, e ao completar o processamento, deve apresentar um deslocamento em
Y de 0,5 mm no vértice de encaixe.
103
Figura 6.21 - Fator Multiplicador e componentes de força que serão multiplicados
Alteradas as forças no modelo tem-se os novos valores de D e F, e a resultante
das forças 3,08 N em cada um dos 8 nós, num total de 24,64 N; e refeita a análise,
tem-se:
104
105
A tensão máxima obtida é de 105 MPa, desprezando-se o valor no nó onde as
forças estão aplicadas pois indicam valores irreais de tensão concentrada, bem
próxima da tensão de escoamento, mas ainda na região elástica do material,
validando a opção pela análise Linear. O deslocamento em Y no vértice do encaixe,
como esperado, está em torno de 0,5 mm.
A força de inserção (F) para a inserção do CLIPE-BASE ficou em torno de
7,892 N.
Em resumo:
Tabela 6.3 - Parâmetros de Inserção corrigida
106
13. Processamento do programa e análise das tensões na desmontagem do
CLIPE-BASE (retenção):
Seguem-se os mesmos passos do item anterior, desta vez para a
desmontagem, avaliando a retenção.
Utilizando-se da mesma malha gerada, adicionam-se no programa de
elementos finitos as entradas de forças e restrições da peça.
A mesma face da peça oposta ao clipe foi restringida tanto em sua rotação
quanto em sua translação (vetores em verde na Figura 6.25).
Em relação às forças, a malha criada gerou um total de 10 nós ao longo da
linha de vértice do encaixe. Excluindo-se os nós da parede lateral, fica um total de 8
nós, nos quais se distribuiu 1N na direção da força D, sendo 0,13 N em cada nó
nessa direção. Pela equação (10) do item 8 deste capítulo, a força total na direção
de F é 3,624 N, sendo 0,453 N em cada um dos 8 nós. A resultante dessas forças
em cada um dos 8 nós ficou então 0,4713 N, quase perpendicular à superfície.
107
Adicionadas ao modelo as características do material (E = 2,76 GPa, σy = 117
MPa, ‫ = ט‬0,35 e μ = 0,08), o modelo pode então ser processado.
108
Figura 6.27 - Detalhe das Tensões
Figura 6.28 - Magnitude das Deformações
109
Analisando as tensões pelo critério de von Mises, nota-se que o pico foi de 18,3
MPa ao redor de um dos pontos de aplicação das forças, mesmo desprezando-se o
valor no nó onde as forças estão aplicadas pois indicam valores irreais de tensão
concentrada e se encontra no local de aplicação das forças. Isso aconteceu
decorrente à discretização das forças, o que no caso real é distribuído pela linha de
contato entre a contra-peça e o clipe. Analisando as outras regiões da peça, verificase que o valor máximo de tensão não ultrapassa 13,0 MPa. Para comparação entre
os modelos será utilizado o pior caso, o valor do pico da força aplicada, ainda abaixo
da tensão de escoamento.
Nota-se também que novamente a tensão não avança na parede da peça ao
redor do clipe, validando a escolha do tamanho da placa no qual o clipe está
integrado, de 3 mm mínimo ao redor do clipe do clipe.
Em relação aos deslocamentos, considerando o deslocamento na direção Y,
que é a direção da força D, de interesse, foi obtido 0,0666 mm no vértice do encaixe,
menor que 0,5 mm desejado.
Tabela 6.4 - Parâmetros de Retenção
Como o comportamento do clipe continua linear, obtém-se o fator multiplicador
necessário para que o deslocamento no vértice do encaixe atinja o 0,5 mm desejado
para que o encaixe ocorra: 7,508. Esse fator será utilizado para multiplicar as forças
de entrada, e ao completar o processamento, deve apresentar um deslocamento em
Y de 0,5 mm no vértice de encaixe.
110
Figura 6.30 - Fator Multiplicador e componentes de força que serão multiplicados
Alteradas as forças no modelo tem-se os novos valores de D e F, e a resultante
das forças 3,548 N em cada um dos 8 nós, num total de 28,32 N; e refeita a análise,
tem-se:
111
112
A tensão máxima com as forças corrigidas foi de 117 MPa ao redor de um dos
pontos de aplicação das forças, bem próximo da tensão de escoamento, mesmo
desprezando-se o valor no nó onde as forças estão aplicadas pois estes indicam
valores irreais de tensão concentrada decorrentes das forças discretizadas; sendo
desconsiderado esse pico concentrado, e analisando as outras regiões da peça,
verifica-se que o valor máximo de tensão não ultrapassa 97,9 MPa, ainda abaixo da
tensão de escoamento e ainda na região elástica do material. O deslocamento na
direção Y no vértice do encaixe foi em torno de 0.5 mm, como esperado.
Deve-se considerar também que o valor de tensão de escoamento de 117MPa
é um valor médio, podendo-se selecionar o material com valor de tensão de
escoamento maior, além de que o Nylon permite adição de componentes, como fibra
de vidro, para elevar suas características mecânicas. Baseado nisso, não se vê
necessária alteração do modelo.
O deslocamento em Y, como esperado, está em torno de 0,5 mm.
A força de inserção (F) para a retenção do CLIPE-BASE ficou em torno de
27,207 N, e não se espera deformação plástica que danifique o clipe.
113
Em resumo:
Tabela 6.5 - Parâmetros de Retenção corrigidos
Têm-se agora os resultados do comportamento do CLIPE-BASE durante a
inserção e desmontagem, que serão utilizados como base de comparação para o
entendimento da influência dos parâmetros que se desejam discutir.
14. Definição das características de interesse do clipe
Completada a fase de análise do CLIPE-BASE, deve-se definir quais são as
características físicas do clipe que podem ser alteradas e quais delas se tem
interesse em avaliar a influência no comportamento e desempenho do clipe.
Para o clipe em estudo, pode-se definir as alterações em duas categorias:
alteração de valor das dimensões e material atuais e alteração de elementos.
Na categoria de alteração de valores, alguns exemplos de dimensões que
podem ser alteradas:
- ângulo de ―convite‖ (α)
- ângulo de retenção (β)
- largura do clipe (L)
- espessura da base (e)
- distancia da base até o vértice do encaixe (b)
- distancia do vértice do encaixe até a extremidade do clipe (c)
114
- altura total do clipe (h)
- altura do vértice de encaixe (a)
- material com diferentes características
Figura 6.34 - Dimensões passíveis de alteração
Na categoria de alteração de elementos, alguns exemplos de características
podem ser alteradas:
- adição de nervuras na parte interna do clipe
Figura 6.35 - Nervuras na parte interna do clipe
- corpo do clipe com seção variável ao longo da altura
Figura 6.36 - Corpo do clipe com seção variável
115
- adição de raios na base do clipe
Figura 6.37 - Raios na base do clipe
- corpo do clipe com seção curva
Figura 6.38 - Clipe com seção curva
- adição de raio no vértice do encaixe
Figura 6.39 - Raio no vértice do encaixe
116
Para a seleção deve-se quais os impactos de manufatura, custo e tempo
nessa alteração,
Para validação da metodologia, serão selecionadas três características para
serem analisadas: ângulo de ―convite‖ (α), ângulo de retenção (β) e largura do clipe
(L).
15. Avaliação das características individualmente:
Para cada uma das características selecionadas devem ser analisados os
impactos em manufatura, aparência e custo na alteração ainda na fase de projeto,
então gerado um novo modelo virtual sólido, uma nova malha, aplicar as forças e
realizar as análises seguindo a mesma metodologia da análise do CLIPE-BASE,
tanto para inserção quanto para a retenção.
Então se comparam os valores obtidos com os valores do CLIPE-BASE.
Deve-se alterar apenas uma característica por vez, mantendo todas as outras
como no CLIPE-BASE, incluindo as propriedades do material.
Por haver alteração na geometria, podem ser alterados também o número de
nós e de elementos.
Na seqüência é mostrada a avaliação individual das características
selecionadas:
a) Alteração do ângulo de inserção (α):
A alteração do ângulo de ―convite‖ de 15º para 10º não deve causar impactos
na manufatura da peça, uma vez que apenas o movimento secundário da
ferramenta deverá sofrer alteração dimensional no componente (gaveta ou pinça), e
a linha de fechamento da ferramenta poderá ser alterada, sem custos na fase de
projeto. Na aparência também não deve haver impactos, já que a alteração não se
faz na região próxima à superfície da peça. Não há necessidade de alteração da
contra-peça, e o modelamento para análise virtual também se mantém o mesmo.
Na figura 6.40 é mostrado o novo modelo virtual sólido:
117
Figura 6.40 - Modelo virtual sólido com alteração 1
A nova malha, criada com o mesmo tamanho e tipo de elemento, possui mais
nós (19030) e elementos (12384) que o CLIPE-BASE, já que o ângulo de convite
menor aumenta a quantidade de material:
118
Figura 6.41 - Nova malha gerada e aplicação de forças e restrições
Na seqüência é mostrada tabela com os valores utilizados e obtidos da
análise de inserção:
Tabela 6.6 - Valores utilizados na análise de inserção
119
O pico de tensão obtido foi de 5,37 MPa, ao redor de um dos pontos de
aplicação das forças, mesmo desprezando-se o valor das tensões no próprio nó,
pois estes indicam valores irreais de tensão concentrada, decorrente da aplicação
discretizada das forças; sendo desconsiderado esse pico, o novo pico de tensão no
clipe foi de 4,98 MPa. O deslocamento na direção Y no vértice do encaixe foi de
0,0237 mm.
120
Na seqüência é mostrada tabela com os valores corrigidos pelo fator
multiplicador, utilizados e obtidos da análise de inserção:
Tabela 6.7 - Valores corrigidos na análise de inserção
121
Figura 6.44 - Forças e restrições aplicadas
O pico de tensão corrigido foi de 113 MPa ao redor de um dos pontos de
aplicação das forças, bem próximo da tensão de escoamento, mesmo desprezandose o valor no nó onde as forças estão aplicadas pois estes indicam valores irreais de
tensão concentrada decorrentes das forças discretizadas; sendo desconsiderado
esse pico concentrado, e analisando as outras regiões da peça, verifica-se que o
valor máximo de tensão não ultrapassa 105 MPa, ainda abaixo da tensão de
escoamento e ainda na região elástica do material. O deslocamento na direção Y no
vértice do encaixe foi em torno de 0.5 mm, como esperado.
122
123
Com a modificação no ângulo de convite, a nova força de inserção obtida é de
5,485 N, mais baixa que a do CLIPE-BASE.
Repete-se a análise para a retenção, utilizando a mesma malha nova criada
para a análise da inserção.
análise de retenção:
124
Tabela 6.8 - Valores utilizados na análise de retenção
discretizada das forças; sendo desconsiderado esse pico, e analisando as outras
regiões da peça, verifica-se que o valor máximo de tensão não ultrapassa 11,7 MPa,
ainda abaixo da tensão de escoamento e ainda na região elástica do material. O
deslocamento na direção Y no vértice do encaixe foi de 0,0667 mm.
125
126
multiplicador, utilizados e obtidos da análise de retenção:
Tabela 6.9 - Valores corrigidos na análise de retenção
pontos de aplicação das forças, bem próximo da tensão de escoamento, mesmo
127
Com a modificação no ângulo de convite, a nova força de retenção obtida é
de 27,167 N, uma diferença mínima em relação à retenção do CLIPE-BASE, que
pode ser considerada desprezível, meramente variação numérica.
128
A análise mostra que uma variação de 33% no ângulo de ―convite‖ melhorou
em aproximadamente 31% a força de inserção, pois quanto menor essa força,
melhor para a ergonomia e para o operador. Por outro lado, não houve variação
significativa da força de retenção com essa alteração, podendo-se concluir que elas
são independentes para esse parâmetro analisado, ou seja, caso seja necessário
melhorar apenas a força de inserção, alterar esse ângulo seria recomendado, com a
penalidade de após certo valor, ser necessário aumentar a altura (h) do clipe, pois a
espessura de sua extremidade também aumenta com a diminuição do ângulo de
convite, podendo fazer com q ponta perca a função de ―convite‖.
Não houve também um aumento significativo no valor da tensão na peça
durante a montagem ou desmontagem.
b) Alteração do ângulo de retenção (β):
A alteração do ângulo de ―retenção‖ de 70º para 50º não deve causar
impactos na manufatura da peça, uma vez que apenas o movimento secundário da
ferramenta deverá sofrer alteração dimensional no componente (gaveta ou pinça), e
a linha de fechamento da ferramenta poderá ser alterada, sem custos na fase de
projeto. Na aparência também não deve haver impactos, já que a alteração não se
faz na região próxima à superfície da peça. Não há necessidade de alteração da
contra-peça, e o modelamento para análise virtual também se mantém o mesmo.
129
Figura 6.53 - Modelo virtual sólido com alteração do ângulo de retenção
A nova malha, criada com o mesmo tamanho e tipo de elemento, possui mais
nós (18734) e elementos (12202) que o CLIPE-BASE, já que o ângulo de retenção
menor aumenta a quantidade de material:
130
O pico de tensão foi de 4,67 MPa, localizado próximo à base do clipe,
indicando compressão do material do clipe, sem ultrapassar a tensão de
escoamento do material. O deslocamento na direção Y no vértice do encaixe foi de
0,0226 mm.
131
132
Figura 6.57 - Forças e restrições aplicadas corrigidas
O pico de tensão foi de 103 MPa, localizado próximo à base do clipe,
indicando compressão do material do clipe no lado interno do corpo do clipe, e
também esticando o lado externo, sem ultrapassar a tensão de escoamento do
material. O deslocamento na direção Y no vértice do encaixe foi em torno de 0.5
mm, como esperado.
133
134
Com a modificação no ângulo de retenção, a nova força de inserção obtida é
de 7,867 N, praticamente o mesmo valor encontrado para o CLIPE-BASE (7,972 N).
A diferença pode ser considerada mero erro numérico.
135
indicando compressão do material do clipe no lado externo do corpo do clipe, sem
ultrapassar a tensão de escoamento do material. O deslocamento na direção Y no
vértice do encaixe foi de 0,0394 mm.
136
137
O pico de tensão corrigido foi de 99,3 MPa, localizado próximo à base do
clipe, indicando compressão do material do clipe no lado externo do corpo do clipe,
sem ultrapassar a tensão de escoamento do material. O deslocamento na direção Y
no vértice do encaixe foi em torno de 0.5 mm, como esperado.
138
139
Com a modificação no ângulo de retenção, a nova força de retenção obtida é
de 17,840 N, mais baixa que a do CLIPE-BASE (27,21 N).
Ou seja, a alteração do ângulo de retenção não afeta a inserção, mas ao
diminuir esse ângulo a retenção também diminui.
A análise mostra que uma variação de aproximadamente 29% no ângulo de
retenção piorou em aproximadamente 35% a força de retenção, pois quanto menor
essa força, menor a carga suportada durante uma desmontagem ou arrancamento.
Por outro lado, não houve variação significativa da força de inserção com essa
alteração, podendo-se concluir que elas são independentes para esse parâmetro
analisado, ou seja, caso seja necessário melhorar apenas a força de retenção,
alterar esse ângulo seria recomendado, com o cuidado de avaliar a tensão
apresentada na peça durante a desmontagem, que variou cerca de 15% com essa
alteração. Se não houver requisitos de desmontagem, ou seja, a peça deve resistir a
maior carga possível durante a desmontagem, podendo até mesmo haver danos ao
clipe, seria recomendado aumentar o ângulo até 90°, com a penalidade de se perder
capacidade de basorção de variação dimensional do clipe. Por outro lado, não houve
uma variação significativa no valor da tensão na peça durante a montagem.
c) Alteração da largura do clipe (L):
A alteração da largura do clipe não deve causar impactos na manufatura da
peça, uma vez que apenas o movimento secundário da ferramenta deverá sofrer
alteração dimensional no componente (gaveta ou pinça), sem alteração na linha de
fechamento da ferramenta, geralmente sem custos na fase de projeto. Na aparência
também não deve haver impactos, já que será mantida a relação entre espessuras
na região da base do clipe junto à superfície da peça. Não há necessidade de
alteração da contra-peça, e o modelamento para análise virtual também se mantém
o mesmo.
140
Figura 6.66 - Modelo virtual sólido com alteração na largura do clipe
A nova malha foi criada com o mesmo tamanho e tipo de elemento, e possui
mais nós (19108) e elementos (12379) que o CLIPE-BASE, já que a largura maior do
clipe aumenta a quantidade de material. O aumento no número de nós no clipe se
traduz em aumento da quantidade de nós na linha de vértice do encaixe de 10 para
12; com isso, descontando os dois nós que também pertencem às paredes laterais,
as forças serão distribuídas agora em 10 nós.
141
142
discretizada das forças; sendo desconsiderado esse pico, o novo pico de tensão no
clipe foi de 3,63 MPa. O deslocamento na direção Y no vértice do encaixe foi de
0,0176 mm.
143
144
O pico de tensão corrigido foi de 122 MPa ao redor de um dos pontos de
aplicação das forças, acima da tensão de escoamento, mesmo desprezando-se o
valor no nó onde as forças estão aplicadas pois estes indicam valores irreais de
tensão concentrada decorrentes das forças discretizadas; sendo desconsiderado
esse pico concentrado, e analisando as outras regiões da peça, verifica-se que o
valor máximo de tensão não ultrapassa 103 MPa, ainda abaixo da tensão de
escoamento e ainda na região elástica do material. O deslocamento na direção Y no
vértice do encaixe foi em torno de 0.5 mm, como esperado.
145
Com a modificação na largura do clipe, a nova força de inserção obtida é de
10,101 N, mais alta que a do CLIPE-BASE.
146
147
discretizada das forças; sendo desconsiderado esse pico, e analisando as outras
regiões da peça, verifica-se que o valor máximo de tensão não ultrapassa 9,34 MPa,
ainda abaixo da tensão de escoamento e ainda na região elástica do material. O
deslocamento na direção Y no vértice do encaixe foi de 0,0544 mm.
148
149
pontos de aplicação das forças, pouco acima da tensão de escoamento, mesmo
150
151
Com a modificação na largura do clipe, a nova força de retenção obtida é de
33,309 N, mais alta que a do CLIPE-BASE (27,207 N).
A análise mostra que um aumento de 20% na largura do clipe piorou em
aproximadamente 27% a força de inserção, pois quanto maior essa força, pior para a
ergonomia e para o operador. Por outro lado, houve melhora de aproximadamente
22% na força de retenção com essa alteração, pois quanto maior essa força maior a
carga que a peça resistirá antes de desmontar; pode-se concluir que esse parâmetro
afeta tanto a força de inserção quanto a de retenção, porém de maneira inversa. A
alteração desse parâmetro é recomendada para quando existe a necessidade de
melhora em uma das forças (retenção ou inserção), porém, desde que haja
possibilidade de que a outra força piore, sem prejudicar o desempenho de projeto.
Da mesma maneira, o valor das tensões na peça durante a montagem ou
desmontagem também variam, na mesma proporção.
16. Elaboração de tabela comparativa das características analisadas
Na seqüência é mostrada a tabela comparativa com os valores das forças de
inserção e retenção obtidas com as modificações, e a variação quando comparadas
com o CLIPE-BASE:
Tabela 6.18 - Tabela comparativa
152
A força estimada é o valor esperado para o clipe que possua as modificações
que foram analisadas separadamente aplicadas em conjunto, assumindo não existir
relação de dependência entre as características avaliadas.
17. Análise da tabela
A tabela do item anterior mostra a relação de variação de cada característica
com a variação das forças de inserção e retenção, como comentado no item 15
deste capítulo: como o ângulo de convite afeta apenas a inserção, sendo que 1% de
variação no ângulo afeta em 1% a força de inserção, sem efeito na retenção; como o
ângulo de retenção afeta apenas a retenção, sendo que 1% de variação no ângulo
afeta em mais de 1% a força de retenção, sem efeito significativo na inserção; e
como a largura do clipe afeta tanto a inserção quanto a retenção, de maneira
inversa, pois o aumento da largura aumenta ambas as forças, o que é melhor para a
retenção, mas é pior para a inserção, e só deve ser recomendada quando a piora de
uma das forças for aceitável, sendo que no caso analisado a inserção foi mais
prejudicada.
18. Escolha da aplicação para definição dos requisitos de ergonomia e
retenção
Como definido no início do capítulo, a peça em questão localiza-se na parte
externa do veículo, em região visível pelo consumidor. Será definido que a peça não
possui função de carregamento de carga, apoio para as mãos ou para os pés, nem
pode ser submetida a esforços de arrancamento no uso normal do veículo; será uma
peça complementar ao visual do veículo, e foi definido seu material ser plástico pela
complexidade da forma e economia de material.
Para peças que não possuem função de apoio ou sustentação (que seria o
caso de uma barra de ornamentação ou um estribo), os requisitos de arrancamento
estão diretamente ligados a situações que podem exigir estruturalmente a peça,
como por exemplo, durante uma lavagem em um lava - rápido.
Para esse tipo de aplicação, um valor considerado razoável para retenção é
um mínimo de 100N, definido através de discussões com especialistas em validação
153
automotiva. Para a inserção, baseado no estudo de ergonomia dos capítulos
anteriores, é definido como aceitável esforços que não ultrapassem 20N,
possibilitando ao operador realizar a montagem sem o auxilio de ferramentas, como
um martelo, ou causar danos físicos ao operador.
19. Criação do modelo virtual sólido do clipe com as melhorias individuais
O novo clipe será uma junção das modificações anteriores, desta vez
aplicadas em conjunto ao CLIPE-BASE, para a avaliação de como as modificações
se correlacionam, uma vez que já é conhecido seu efeito individual.
Analisando o novo modelo, nenhuma das alterações (ângulo de ―convite‖ de
15º para 10º, ângulo de ―retenção‖ de 70º para 50º e largura do clipe de 5 mm para 6
mm) não devem causar impactos na manufatura da peça, uma vez que apenas o
movimento secundário da ferramenta deverá sofrer alteração dimensional no
componente (gaveta ou pinça), e a linha de fechamento da ferramenta poderá ser
alterada, sem custos na fase de projeto. Na aparência também não deve haver
impactos, já que na única alteração na região próxima à superfície da peça será
mantida a relação entre espessuras na região da base do clipe junto à superfície da
peça.
154
Figura 6.79 - Novo Modelo virtual sólido
20. Criação da nova malha
A nova malha foi criada com o mesmo tamanho e tipo de elemento das
avaliações anteriores, e possui mais nós (19960) e elementos (13007) que o CLIPEBASE, já que as modificações nos ângulos e a largura maior do clipe aumentam a
quantidade de material. O aumento no número de nós no clipe se traduz em
aumento da quantidade de nós na linha de vértice do encaixe de 10 para 12; com
isso, descontando os dois nós que também pertencem às paredes laterais, as forças
serão distribuídas agora em 10 nós.
21. Realização da análise da força de inserção do clipe
Depois de gerada nova malha, aplicam-se as forças e restrições no clipe:
155
156
O pico de tensão obtido foi de 3,8 MPa, localizado próximo à base do clipe,
0,0188 mm.
Figura 6.81 - Tensões Equivalentes na região interna - Critério de von Mises
157
158
O pico de tensão foi de 100 MPa, localizado próximo à base do clipe,
mm, como esperado.
159
Figura 6.85 - Deformações no clipe
160
Com as modificações aplicada em conjunto, a nova força de inserção obtida é
de 6,915 N, menor que o valor encontrado para o CLIPE-BASE (7,972 N), mas mais
próximo do valor estimado pela tabela comparativa (7,508 N).
Essa diferença para o valor estimado (7,9%) pode ser explicada pelo fato de,
nesse estudo de caso, as forças de inserção e retenção em cada análise terem sido
calculadas utilizando o valor do deslocamento do vértice do encaixe na direção ―Y‖,
que na simulação é fornecido como uma faixa de variação, de onde se selecionou o
valor máximo da faixa para o cálculo do fator multiplicador em cada análise. No
cálculo das forças estimadas com as três modificações, a variação das três análises
são sobrepostas.
22. Realização da análise da força de retenção do clipe
Para a nova malha gerada, aplicam-se as forças e restrições no clipe:
161
O pico de tensão obtido foi de 6,18 MPa, localizado próximo à base do clipe,
0,0319 mm.
Figura 6.87 – Tensões Equivalentes na face externa - Critério de von Mises
162
Figura 6.88 – Tensões Equivalentes na face interna - Critério de von Mises
163
mm, como esperado.
Figura 6.91 - Tensões Equivalentes na face externa - Critério de von Mises
164
Figura 6.92 - Tensões Equivalentes na face interna - Critério de von Mises
Figura 6.93 - Deformações no clipe
Com as modificações aplicadas em conjunto, a nova força de retenção obtida
é de 22,03 N, menor que o valor encontrado para o CLIPE-BASE (27,21 N), mas
mais próximo do valor estimado pela tabela comparativa (23,90 N).
Essa diferença para o valor estimado (7,8%) pode ser explicada pelo fato de,
nesse estudo de caso, as forças de inserção e retenção terem sido calculadas
utilizando o valor do deslocamento do vértice do encaixe na direção ―Y‖, que na
simulação é fornecido como uma faixa de variação, de onde se selecionou o valor
máximo da faixa para o cálculo do fator multiplicador em cada análise.
165
Tabela 6.23 - Comparação dos valores obtidos, estimados e requisitos
Como mostra a tabela acima, o clipe analisado atende ao requisito de
inserção, por causa de ergonomia, com certa folga, mas falha no requisito de
retenção, cerca de quatro vezes menor.
Caso o intuito seja utilizar os conhecimentos adquiridos nas analises para
adequá-lo aos requisitos, deveriam ser investido em mais análises de redução do
angulo de ―convite‖, aumento do angulo de retenção e aumento da largura do clipe.
Novas analises, das outras características do clipe ajudariam nessa tarefa.
23. Discussão da eficácia do conceito de clipe analisado
Devido a suas limitações de forma, principalmente por causa da relação entre a
espessura da base do clipe e a espessura de parede da peça, e a relação ―força de
retenção/força de inserção‖ ser um numero pequeno (cerca de 3 para a última
análise), esse conceito de clipe é pouco indicado para situações onde os requisitos
de ergonomia e retenção sejam muito diferentes.
Uma análise preliminar das outras características que podem ser alteradas
indica um comportamento muito parecido com a variação da largura do clipe: altera
ambas as forças no mesmo sentido, seja aumentando ou diminuindo, e acabam por
favorecer uma delas em prejuízo da outra.
24. Discussão dos critérios de durabilidade
Para a utilização deste tipo de clipe em uma aplicação externa como a
avaliada, alguns cuidados devem ser tomados. A seleção do material deve
contemplar o nível de deterioração com o tempo e clima, pois alterações nas
166
propriedades do material comprometem a durabilidade dos clipes, sejam
fragilizando-o caso o material se resseque, seja perdendo suas capacidades de
retenção, caso o material comece a ceder.
Para aumentar a durabilidade de clipes em geral, o estudado inclusive, devese evitar tensões ou solicitações que não estejam relacionadas diretamente à
direção de montagem. Para o caso de rotações, é recomendável a utilização de mais
de um clipe por peça, devidamente afastados, de modo que possam receber
solicitação maior na direção de montagem, sem que uma ―alavanca‖ seja criada. A
utilização de elementos localizadores, como pinos, também colabora em reduzir
solicitações não desejadas ao clipe, e possível fadiga.
25. Propostas para melhorias no conceito
Esse conceito mostrou ter como um dos maiores problemas a relação muito
próxima entre as forças de inserção e retenção, limitando seu uso. Deve-se buscar
soluções que venham a melhorar essa relação.
Uma proposta seria trabalhar no conjunto de fixação, melhorias na contra-peça,
de maneira que o clipe ficasse forçado contra a própria contra-peça, aumentando a
força ―D‖. Um exemplo seria uma terceira peça que fosse montada após a fixação do
clipe, de maneira que ocupasse o espaço físico que o clipe utilizaria na deflexão
durante a desmontagem, como mostrado na figura 6.97; ou mesmo a contra-peça
possuir uma aba, que forçasse o clipe, minimizando desencaixes não-propositais,
como mostrado na figura 6.98.
Figura 6.94 - Terceira peça travando clipe
167
Figura 6.95 - Contra-peça com aba forçando clipe
Para melhorar a centralização do clipe em um furo, por exemplo, pode-se
adicionar outro clipe, simétrico oposto ao clipe inicial, ligados entre si, com a
utilização de uma nervura, por exemplo, de maneira que caso haja variação de
montagem ou movimento durante a vida útil do clipe, ao tentar desencaixar um clipe,
isso forçaria o clipe simétrico a aumentar sua área de encaixe, e conseqüentemente
manteria uma média dos valores das forças envolvidas.
168
7. CONCLUSÕES E CONTINUIDADE DO TRABALHO
O presente estudo mostrou, em linhas gerais, qual o caminho que deve ser
seguido no desenvolvimento de clipes plásticos, apontando muitas de suas
qualidades, como custo e logística, por exemplo, e também suas limitações, como a
inter-relação inserção/retenção, e porque é cada vez mais desejável sua utilização
na indústria.
A
metodologia
deixa
claro
que
campos
como
ergonomia,
custos,
manufaturabilidade, durabilidade, retenção e tempo devem ser primordialmente
analisados, buscando conhecimento ou especialistas, no desenvolvimento de tal
fixação.
A
metodologia
também
se
mostra
capaz
de
orientar,
durante
o
desenvolvimento de clipes, sobre quais características do clipe devem ser alteradas
para se atingir o objetivo desejado, seja ele melhorar a inserção, retenção ou
durabilidade, por exemplo, umas vez que permite conhecer de maneira quantitativa
como cada característica influencia no desempenho do clipe.
Também fica claro que com o intuito de se melhorar as avaliações com
menores custos, é imprescindível a continua evolução no desenvolvimento de
modelos matemáticos para fenômenos físicos e mecânicos, de modo a suportar
evoluções nos programas de ambiente e analise virtual, podendo chegar ao limite de
validações físicas serem completamente substituídas por avaliações virtuais, caso
seja possível prever todas as situações possíveis de solicitações e condições, e que
se tenha capacidade computacional para tanto.
Como continuidade para o presente trabalho, podem ser gerados uma serie de
diferentes estudos relacionados a clipes plásticos. Comparar diferentes conceitos de
clipes e quais seriam suas aplicações recomendadas e limitações, para auxiliar na
seleção do conceito; estudos dos efeitos de variações dimensionais (tolerâncias) e
térmica durante a montagem e desmontagem, bem como durante a utilização dos
mesmos nas diferentes condições de temperatura e umidade;
Uma seqüência natural das análises citadas acima levaria à discussão sobre
aplicações que requerem maior quantidade de clipes, e como avaliar a inter-relação
entre eles, e como isso pode contribuir ou prejudicar o desempenho individual do
169
clipe, sempre considerando no percurso suas respostas a variações térmicas,
influência de variações dimensionais (tolerância), durabilidade e avaliação de custo.
170
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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