AVALIAÇÃO DE VEDAÇÃO A AR DE UMA CAVIDADE EM MANUFATURA

ADITIVA

AMANDA MOREIRA MORAES RIBEIRO PONTES

Projeto de Graduação apresentado ao Curso

de Engenharia Mecânica da Escola

Politécnica, Universidade Federal do Rio de

Janeiro, como parte dos requisitos

necessários à obtenção do título de

Engenheira Mecânica.

Orientação: Prof. Fernando Augusto de

Noronha Castro Pinto, Dr.Ing.

Rio de Janeiro

Agosto de 2020

Pontes, Amanda Moreira Moraes Ribeiro Pontes

Avaliação de Vedação a Ar de uma Cavidade em

Manufatura Aditiva/Amanda Moreira Moraes Ribeiro Pontes –

Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, 2020.

XII, 52 p.:il 29,7 cm

Orientação: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto

Projeto de Graduação – UFRJ/POLI/ Engenharia

Mecânica, 2020

Referência Bibliográficas: p. 49-50

1. Manufatura aditiva, 2. Parâmetros de impressão, 3.

Altura de Camada, 4. Densidade de Preenchimento, 5.

ABS, 6. Policarbonato, 7. Vedação de ar, 8. Elementos

finitos

I. Pinto, Fernando Augusto de Noronha Castro. II.

Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ,

Engenharia Mecânica. III. Avaliação de Vedação a Ar de

uma Cavidade em Manufatura Aditiva

AGRADECIMENTOS

Este trabalho é a última etapa de uma jornada maravilhosa trilhada na Universidade

Federal do Rio de Janeiro da qual tenho muito orgulho de ter tido a honra de fazer parte.

Agradeço a mim por todo esforço e dedicação durante o curso, podendo aproveitar todas as

possíveis oportunidades que a universidade ofereceu. São essas bagagens que me

prepararam para a vida profissional e pessoal, aprendizados os quais nunca esquecerei. Muito

obrigada UFRJ por ser tudo aquilo que eu tinha de expectativa para uma das melhores

universidades do país e muito mais. Obrigada por me apresentar professores, cujos

ensinamentos são base para a minha profissão. Obrigada por colocar em minha vida amigos,

tanto do ciclo básico quanto da prórpia engenharia mecânica, que tanto riram comigo e

sofreram junto com provas que tiraram nosso sono. Obrigada também pelos colegas no

Fórmula SAE, monitoria e LAVI que me ensinaram resiliência e propciaram experiências

únicas.

Agradeço de coração pelos meus queridos amigos dos estágios, tanto do CENPES

quanto da Shell, que tanto me apoiaram e me ensinaram a chegar onde estou. Um “obrigada”

especial aos meus melhores amigos, que são família para mim e sempre estão comigo. Por

último, uma imensa gratidão aos meus pais, Vanira e Antonio, por me apoiarem e acreditarem

no meu potencial sem medir qualquer esforço.

Todos vocês fazem de mim o que eu sou. Mais uma vez: muito obrigada.

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos

requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheira Mecânica.

Avaliação de Vedação a Ar de uma Cavidade em Manufatura Aditiva

Amanda Moreira Moraes Ribeiro Pontes

Orientador: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto, Dr.Ing

Curso: Engenharia Mecânica

Resumo: Nos últimos anos, a manufatura aditiva vem sendo aplicada nas mais diversas áreas

em função da simplicidade e versatilidade do processo. No entanto, para sua utilização bem-

sucedida, é necessária escolha adequada de materiais e parâmetros, os quais influenciam no

desempenho das peças impressas. A vedação eficaz de gases e líquidos é mandatório em

certos projetos de pesquisa, indústria e uma variedade de aplicações práticas. Este trabalho

avalia a capacidade de vedação de ar pressurizado de uma cavidade fabricada por

manufatura aditiva. É realizado estudo de elementos finitos e testes com ar pressurizado em

dois modelos de peça, com materiais ABS e policarbonato (PC) e variando parâmetros de

impressão (altura de camada, densidade de preenchimento e largura de perímetro). Por meio

dos testes, conclui-se que a peça em PC com densidade de preenchimento de 100% e

perímetro mais robusto apresenta satisfatória vedação. As demais, principalmente devido ao

seu material e densidade de preenchimento inferior, permitiram passagem de ar pelas suas

paredes.

Palavras-chave: Manufatura aditiva, Parâmetros de impressão, Altura de Camada, Densidade

de Preenchimento, ABS, Policarbonato, Vedação de ar, Elementos finitos

Abstract of the Undergraduate Project presented to Escola Politécnica/UFRJ as a partial

fulfillment of the requirements for the degree of Mechanical Engineer.

Air Sealing Evaluation of a Cavity Manufactured in Additive Manufacturing

Amanda Moreira Moraes Ribeiro Pontes

Advisor: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto, Dr.Ing

Degree: Mechanical Engineering

Abstract: In recent years, additive manufacturing has been applied in various areas due to its

simplicity and versatility. However, for its successful use, it is necessary to appropriately

choose materials and printing parameters, which influence the printed model applicability.

Effective gas and liquid sealing are mandatory for certain research projects, industry and a

variety of practical applications. This work evaluates the pressurized air sealing capacity of a

cavity made by additive manufacturing. Finite element study and pressurized air tests are

performed with two printed models, either with ABS or polycarbonate (PC) materials and

varying printing parameters (layer thickness, fill density and perimeter width). Through these

tests, the conclusion is that the PC model with 100% filling density and robust perimeter

presents satisfactory sealing. The others, mainly due to the material used and lower fill density,

allowed air to pass through its walls.

Keywords: Additive Manufacturing. Printing Parameters. Layer Thickness. Infill Density. ABS.

Polycarbonate. Air Sealing. Finite Elements.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 10

2. REFERÊNCIA TEÓRICA .............................................................................................. 12

2.1. SELOS MECÂNICOS ............................................................................................ 12

2.2. MANUFATURA ADITIVA ....................................................................................... 12

2.2.1. A TECNOLOGIA MANUFATURA ADITIVA..................................................... 12

2.2.2. VANTAGEM DA MANUFATURA ADITIVA ..................................................... 13

2.2.3. LIMITAÇÃO DA MANUFATURA ADITIVA ...................................................... 13

2.2.4. APLICAÇÕES DA MANUFATURA ADITIVA ................................................... 14

2.2.5. FUSED DEPOSITION MODELING (FDM) ...................................................... 14

2.3. MATERIAIS DE FILAMENTO UTILIZADOS NA MANUFATURA ADITIVA ............ 15

2.3.1. ABS (ACRYLONITRILE BUTADIENE STYRENE) .......................................... 15

2.3.2. PLA ................................................................................................................ 16

2.3.3. POLICARBONATO ......................................................................................... 17

2.4. O PROCESSO DE IMPRESSÃO ........................................................................... 18

3. ESTUDO DE CASO ...................................................................................................... 19

3.1. DESCRIÇÃO DO CASO ........................................................................................ 19

3.2. METODOLOGIA .................................................................................................... 22

3.2.1. CONCEPÇÃO DAS PEÇAS-TESTE ............................................................... 22

3.3.2. PARÂMETROS DE IMPRESSÃO ....................................................................... 22

3.3. PROJETO DAS PEÇAS-TESTE ............................................................................ 28

3.4. ELABORAÇÃO DE TESTES ................................................................................. 31

3.5. ESTUDO DE ELEMENTOS FINITOS .................................................................... 36

4. RESULTADOS ............................................................................................................. 38

5. CONCLUSÃO ............................................................................................................... 47

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 49

ANEXO I – DESENHO TÉCNICO DA PEÇA I ..................................................................... 51

ANEXO II – DESENHO TÉCNICO DA PEÇA II ................................................................... 53

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Modelo de impressão por tecnologia Modelagem por Depósito Fundido............. 15 Figura 2 – Estrutura química do ABS. .................................................................................. 16 Figura 3 – Estrutura química do PLA. .................................................................................. 17 Figura 4 - Estrutura do polímero Policarbonato. ................................................................... 18 Figura 5 – Vista frontal cortada pelo plano XY da bancada de testes. ................................. 20 Figura 6 – Vista explodida da montagem central. ................................................................ 21 Figura 7 – Comparação de componentes impressos com distintas densidades de preenchimento. .................................................................................................................... 24 Figura 8 - Cilindro impresso visto no software fatiador com diferentes espessuras de parede. ............................................................................................................................................ 28 Figura 9 – Vista isométrica da peça I em SolidWorks. ......................................................... 30 Figura 10 – Vista isométrica da peça II em SolidWorks. ...................................................... 31 Figura 11 – Bancada de teste padrão com peça teste ao centro.......................................... 32 Figura 12 – Peça em ABS coberta por resina epoxy. ........................................................... 33 Figura 13 – Componente impresso em ABS com pós-tratamento de banho de vapor de acetona. ............................................................................................................................... 34 Figura 14 - Peça II montada à conexão pneumática com mangueira, conforme testes D e E. ............................................................................................................................................ 35 Figura 15 - Diagrama tensão-deformação do ABS. .............................................................. 36 Figura 16 – Digrama tensão-deformação do PC. ................................................................. 36 Figura 17 - Condições de contorno e carga aplicada simulando duas camadas de 0,4mm sobrepostas por manufatura aditiva. .................................................................................... 38 Figura 18 - Carga externa de pressão de 6 bar aplicada às superfícies internas da peça I no SolidWorks. ......................................................................................................................... 39 Figura 19 - Tensão de von Mises resultante da aplicação de pressão na peça I. ................. 40 Figura 20 - Deslocamento máximo resultante da aplicação de pressão na peça I. .............. 41 Figura 21 - Deslocamento na bipartição da peça I em estudo de elementos finitos no software SolidWorks. ........................................................................................................... 42 Figura 22 - Carga externa de pressão de 6 bar aplicada às superfícies internas da peça II no SolidWorks. ......................................................................................................................... 43 Figura 23 - Tensão de von Mises resultante da aplicação de pressão na peça II. ................ 44 Figura 24 - Deslocamento máximo resultante da aplicação de pressão na peça II. ............. 45 Figura 25 - Deslocamento máximo da peça II em evidência em escala 100:1. .................... 45 Figura 26 - Deslocamento entre camadas de impressão 3D aplicada pressão. ................... 46

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Resumo das propriedades mecânicas dos materiais. ......................................... 18 Tabela 2 – Identificação das peças da bancada de testes ................................................... 20 Tabela 3 - Resumo dos parâmetros das peças fabricadas para utilização nos testes. ........ 35

10

LISTA DE SIGLAS

FDM Fused Deposition Modeling

3D Tridimensional

SLA Stereolithography

DLP Digital Light Processing

SLM Selective Laser Sintering

EBM Electronic Beam Melting

LOM Laminated Object Manufacturing

CNC Comando Numérico Computadorizado

SAE Society of Automotive Engineers

VANT Veículo Aéreo Não-Tripulado

ABS Acrylonitrile Butadiene Styrene

PLA Polylactic Acid

PC Policarbonato

LAVI Laboratório de Acústica e Vibrações a Universidade Federal do Rio de Janeiro

11

1. INTRODUÇÃO

Com o crescimento da popularidade da manufatura aditiva, suas aplicações se

expandiram em diversas áreas, seja elas acadêmicas, projetos de engenharia ou mesmo

recreativas. Dentre as suas vantagens, menciona-se a flexibilidade de geometria que permite,

simplicidade do processo de fabricação e cada vez mais barata a manufatura de produtos e

componentes por esse método. Conhecido como impressão 3D, o método mais comum de

impressão é o Fused Deposition Modeling (FDM), cujas impressoras também possuem menor

custo no mercado com utilização de diversos materiais poliméricos.

Tantos campos de aplicação e crescente uso, trazem à tona a limitação desse

processo, manifestada como uma qualidade insuficiente dos componentes impressos, devido

aos seus defeitos estruturais (porosidade) e vedação insatisfatória. A vedação eficaz de gases

e líquidos é um requisito necessário para o design de projetos elaborados em pesquisa,

indústria e uma variedade de aplicações práticas. Este trabalho propõe o estudo de uma

cavidade fabricada por manufatura aditiva a fim de avaliar a sua capacidade de vedação de

ar pressurizado sem que haja vazamento por suas paredes. Para isso, é necessário avaliar

as propriedades dos materiais mais adequados para essa aplicação, a influência dos

parâmetros de impressão e efeito neste desempenho com uso de pós-tratamentos. O ajuste

e utilização apropriada destes, pode trazer uma melhoria substancial na qualidade das peças

criadas por FDM, bem como aplicação efetiva em peças que dependem de propriedade de

vedação, como os selos mecânicos.

12

2. REFERÊNCIA TEÓRICA

2.1. SELOS MECÂNICOS

A função de um selo é separar fluidos pressurizados que, eventualmente podem

passar de uma parte para outra em função de um eixo em movimento. Ele também previne a

entrada de corpos estranhos no meio de operação ou a perda de lubrificante de mancais

transmissões. [1]

São componentes mecânicos de forma cilíndrica, cujo superfície do diâmetro interno

possui um padrão complexo a fim de evitar vazamento de fluido entre as seções principal e

auxiliar de um maquinário. Nesta última seção, geralmente se encontram peças como

mancais e motores. A montagem de um selo é axial e concêntrica ao eixo com uma pequena

folga entre eles, da ordem de décimo de milímetro. A combinação dessas duas características

gera um gradiente de velocidade e, consequentemente, fluxo turbulento. Dessa forma, o fluxo

axial de ar é dificultado, o que garante o efeito selante. Tem ampla aplicação em

turbocompressores com essa finalidade, assim como para balancear forças axiais. [2]

Os modelos mais comuns de selo são o labirinto, honeycomb e o hole pattern. A

diferença entre eles é o padrão de perfil complexo da superfície interna. O selo labirinto tem

ranhuras como dentes. O honeycomb possui furos em formato de favos de colmeia, enquanto

o hole pattern, versão simples do honeycomb, possui furos circulares. A fabricação deste

último é mais simples.

2.2. MANUFATURA ADITIVA

2.2.1. A TECNOLOGIA MANUFATURA ADITIVA

O advento da manufatura aditiva, também conhecida como impressão 3D, permite

maior liberdade de geometria em função da facilidade de fabricação delas. Houve

desenvolvimento de diversos tipos de tecnologia de manufatura aditiva, como Estereolitografia

(Stereolithography - SLA), Processamento de Luz Digital (Digital Light Processing - DLP),

Modelagem por Deposição Fundida (Fused Deposition Modeling - FDM), Sinterização Seletiva

a Laser (Selective Laser Sintering - SLM), Fusão de Feixe Eletrônico (Electronic Beam Melting

EBM) e Fabricação de Objeto Laminado (Laminated Object Manufacturing - LOM). Nos

últimos tempos, tecnologias como o FDM e SLA ganharam notoriedade e permearam mais

significativamente o mercado, tanto em indústria e comércio quanto no ambiente doméstico.

13

[3]

2.2.2. VANTAGEM DA MANUFATURA ADITIVA

A manufatura aditiva beneficiou muitos setores por causa de muitos fatores, dentre

eles a flexibilidade de criação diversidade de materiais utilizados. A facilidade do processo de

manufatura permite a elaboração de designs complexos a custo inferiores aos métodos

tradicionais de usinagem. Além disso, outros fatores contribuem para uma fabricação mais

vantajosa do ponto de vista econômico. O tempo de fabricação é reduzido, em comparação a

peças fabricadas em CNC [4] e o desperdício de material é mínimo, pois ele é adicionado de

acordo com o desenho do projeto ao invés de ser retirado de um bloco bruto a fim de obter a

geometria esboçada.

A possibilidade de utilização de materiais distintos permite a ampla e crescente

aplicação na área biomédica. Réplicas de partes do corpo, próteses e implantes podem ser

produzidas por impressoras 3D tanto com polímeros compatíveis para uso médico quanto

com biomateriais para confecção de tecidos.

2.2.3. LIMITAÇÃO DA MANUFATURA ADITIVA

No entanto, a manufatura aditiva possui limitações inerentes ao método de fabricação.

A fim de superar essas barreiras ou mitigar problemas oriundos dessas dificuldades, são feitos

diversos estudos sobre a impressão 3D.

Pode-se mencionar como principal desvantagem o acabamento ruim de superfície. A

qualidade de sua superfície é menor se comparadas a peças produzidas por processos de

usinagem. [5] Isso se deve a vários fatores que podem influenciar no resultado do processo

de fabricação, a exemplo da influência da umidade, que se acumula na estrutura do filamento.

[6] Durante o processo de extrusão e consequente aquecimento do filamento a umidade tende

a sair deste e gerar bolhas, isto causa defeitos estruturais na peça, devido à ausência do

material ocasionado pela ocupação das bolhas. [7]

Vale levantar também nessa seção a característica anisotrópica das peças feitas por

manufatura aditiva. Constata-se uma resistência mecânica inferior na direção Z que nas

demais. [8] [9] [10]

14

2.2.4. APLICAÇÕES DA MANUFATURA ADITIVA

Os estudos a respeito da manufatura aditiva tem crescido, a fim de poder usufruir das

vantagens que ela oferece, dentre as quais, pode-se mencionar como principal a liberdade de

geometria em projetos. O processo já vem sendo utilizado em diversas indústrias, como na

automotiva, aeroespacial e indústria eletrônica. [9]

Muitos exemplos podem ser mencionados em razão da flexibilidade oferecida pela

tecnologia. Já foi estudado o projeto de um coletor de admissão de um carro categoria fórmula

SAE usando tecnologia FDM e material compósito. A geometria única projetada proporcionou

mais torque e reduziu a queda da pressão total. [11]

Na aviação, no trabalho de Moon [12], é avaliada um modelo de treliça com o

desempenho elástico ideal para asas de um veículo aéreo não-tripulado (VANT),

popularmente conhecido como drone. Com base em testes de compressão, o desenho da asa

proposta combina as vantagens de mecanismos compatíveis e estruturas implantáveis para

maximizar as flexibilidades de movimento no design e desenvolvimento do VANT.

2.2.5. FUSED DEPOSITION MODELING (FDM)

Atualmente, são diversos os modelos de impressora e métodos para manufatura

aditiva. A técnica mais comum e utilizada é a Modelagem por Depósito Fundido, mais

conhecida como FDM (sigla em inglês de Fused Deposition Modeling). [13] Esse processo

utiliza uma ampla gama de termoplásticos, como o ABS, nylon, PLA. A impressora cria objetos

complexos por meio de deposição de plástico derretido extrudado por um bico injetor de

diâmetro definido. O filamento de plástico é enrolado em uma bobina e desenrolado para

fornecer material ao bico injetor, este é movimentado ao longo de três eixos por controle por

computador. Motores de passo são tipicamente empregados em todos esses movimentos,

bem como para empurrar o filamento para a extrusora. O material é depositado

horizontalmente na mesa aquecida e o bico se movimento no eixo vertical para depositar

camada a camada. Uma vez depositado, o material resfria e endurece imediatamente. Esse

processo se repete até a conclusão da peça tridimensional e seus mecanismos estão

expostos na figura 1.

Impressoras FDM são utilizadas com frequência em aplicações domésticas e em

empresas pequenas. As impressoras FDM são bastante úteis para aplicação doméstica,

impressão de peças de reposição, impressão de modelos em escala ou fabricação de

pequenos objetos.

15

Figura 1 – Modelo de impressão por tecnologia Modelagem por Depósito Fundido. (Fonte: adaptado de Carausu, Constantin (2018), The 3D printing modelling of biodegradable

material. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering)

2.3. MATERIAIS DE FILAMENTO UTILIZADOS NA MANUFATURA ADITIVA

A manufatura aditiva utiliza como matéria-prima tanto polímeros quanto metais, porém

o maquinário que trabalha com polímero é mais acessível, razão pela qual, apenas os mais

comuns dentre eles são mencionados aqui. As propriedades físico-químicas dos polímeros

variam e as aplicações abrangem desde prototipagem até aplicação biomédica. Ao final desta

seção, encontra-se uma tabela com um resumo de propriedade dos materiais apresentados

no decorrer da mesma. [14]

2.3.1. ABS (ACRYLONITRILE BUTADIENE STYRENE)

O acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) é um polímero que tem sido usado em várias

aplicações, incluindo aplicações automotivas, eletrônicas e biomédicas, cuja estrutura química

16

está na figura 2. O ABS tem boa resistência mecânica e tenacidade com uma temperatura de

fusão de cerca de 230°C. [15] Também é muito utilizado por ser compatível com impressoras

tipo FDM e ser um material de baixo custo.

No entanto, uma característica que dificulta seu uso é sua adesão à mesa de

impressão, já que o ABS tende a se contrair no processo de resfriamento e, portanto, as peças

tendem a descolar da mesa. A contração pode não ser acompanhada do descolamento da

peça, mas a base pode ficar deformada (com os cantos levantados). São utilizados, então,

artifícios para mitigar esse problema. Uma solução comum é utilizar uma mesa aquecida ou

um adesivo a fim de manter a peça integralmente em contato com a mesa de impressão ao

longo de todo o processo.

Figura 2 – Estrutura química do ABS. (Fonte: Żenkiewicz, Marian (2009). Some effects of multiple injection moulding on selected properties of ABS. Journal of Achievements in

Materials and Manufacturing Engineering. 37.)

2.3.2. PLA

O ácido polilático (PLA) é um poliéster, apresentado na figura 3, que tem sido

amplamente utilizado na pesquisa e na indústria. O PLA é derivado de recursos renováveis,

como o amido de milho, o que faz dele um material biocompatível e biodegradável. Por esse

motivo, podem ser usados no corpo humano, uma vez que é seguro na implantação cirúrgica.

O polímero aqui em questão tem ponto de fusão de 160°C a 220°C, dependendo das

configurações da impressora. [16] Sua principal vantagem é a facilidade de impressão, em

função da possibilidade de impressão sem mesa de impressão aquecida.

17

O PLA resiste um pouco mais a tensões de flexão em comparação com o ABS.

Contudo, um de seus pontos negativos é a baixa resistência térmica já que o PLA não suporta

temperaturas muito altas, além de uma resistência mecânica inferior a do ABS. Algumas

pesquisas têm desenvolvido combinações de PLA com aditivos a fim de melhorar suas

propriedades e reduzir seu custo de produção.

Figura 3 – Estrutura química do PLA. (Fonte: Nam, Tran & Ogihara, Shinji & Kobayashi, Satoshi. (2012). Interfacial, Mechanical and Thermal Properties of Coir Fiber-Reinforced

Poly(Lactic Acid) Biodegradable Composites. Advanced Composite Materials.)

2.3.3. POLICARBONATO

O Policarbonato (PC) é um tipo de poliéster, cuja estrutura está na figura 4. O PC está

disponível para uso comercial para impressões em FDM e tem uma temperatura de fusão

elevada, entre 255 e 300°C e é muito sensível a umidade. [15] Possui elevada resistência

mecânica e a adesão entre suas camadas é boa. No entanto, durante o resfriamento, a peça

se contrai, tornando um dos problemas de sua manufatura aditiva o descolamento da peça da

mesa de impressão.

18

Figura 4 - Estrutura do polímero Policarbonato. (Fonte: Farooq, Aslam & Tawfik, Prof. Walid & Alahmed, Zeyad & Ahmad, Kaleem & Singh, Jagdish. (2014). Role of Purging Gases in the Analysis of Polycarbonate With Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. Journal of Russian

Laser Research.)

Na tabela a seguir, encontra-se um resumo dos materiais anteriormente mencionados,

que são mais comuns e possuem maior aplicação na indústria de manufatura aditiva. Isso se

deve por diversos fatores como propriedades físicas e custo.

Tabela 1 - Resumo das propriedades mecânicas dos materiais.

Material Densidade

[g/cm³] Resistência à tração [MPa]

Módulo de Elasticidade

[GPa]

Limite de Escoamento

[MPa]

ABS [17]

1,01-1,21 40-50 1,1-2,9 18,5-51

PLA [18]

1,25 59 3,5 70

PC [17] 1,14-1,21 70-80 2,0-2,44 59-70

2.4. O PROCESSO DE IMPRESSÃO

O processo de manufatura aditiva é relativamente simples, porém depende de

avaliações e ponderações por parte do projetista que pretende produzir uma peça por meio

desse método. Ele começa antes da impressão efetiva, que exige atenção e conhecimento

prévio.

Deve-se criar um modelo 3D com dimensões desejadas em um software de

modelagem como o SolidWorks e o AutoCAD. Arquivos desses softwares são, em geral,

apenas para leitura e edição neles próprios. Para exportação do desenho para a impressora,

o arquivo deve estar em formato STL, uma lista de coordenadas a serem interpretadas para

a impressora. Nesta etapa, o arquivo em formato adequado é manipulado em um software

19

“fatiador”. Esse programa é responsável por converter o modelo 3D elaborado em um formato

para impressoras 3D. O modelo é “fatiado” em camadas que podem ser depositadas por

extrusão.

Essa etapa permite observar o resultado da manufatura antes mesmo da impressão,

expõe os detalhes camada a camada de como o elemento será impresso. A etapa de

fatiamento, assim chamada por fatiar a peça em camadas horizontais, é executada em

programas de computador, chamados slicers. Neste momento, são adicionados os

parâmetros, como altura de camadas, velocidade de impressão e perímetro, que finalizam a

caracterização da manufatura. O software de fatiamento é configurado com todas as

características da impressora 3D que será usada, assim as dimensões da plataforma de

impressão são conhecidas e, dessa forma, o software mostra a posição do modelo em relação

a ele. O usuário pode reposicionar o modelo nos três eixos até que esteja centralizado e

posicionado exatamente na superfície da mesa de impressão e também girá-lo, se necessário,

a fim de obter uma peça com pouca ou nenhuma criação de suporte. [19]

Ao final desse processo, prepara-se a impressora para início da manufatura, como

adição de mesa térmica ou aplicação de adesivo. A peça finalmente é impressa e deve-se

aguardar seu resfriamento para retirada da plataforma de impressão. Dependendo da peça e

do material utilizado, após remover a peça, retiram-se os suportes impressos manualmente

ou por procedimento químico e, quando necessário, aplica-se método de pós-tratamento para

melhoria da qualidade de superfície.

3. ESTUDO DE CASO

3.1. DESCRIÇÃO DO CASO

O Laboratório de Acústica e Vibrações da UFRJ desenvolve um projeto de realização

de testes para determinar coeficientes dinâmicos de selos labirintos a fim de estudar o

comportamento de turbomáquinas, a ser construída no Centro de Excelência em Gás Natural

(CE-GN). Paralelamente, foi proposto um projeto similar em menor escala que possibilita fazer

essas análises dentro do próprio laboratório. [2] Nele são apresentados alguns tipos de

bancadas existentes, as discussões até a chegada do modelo final, cálculos realizados para

dimensionamento, primeiros testes, conclusões e propostas de trabalhos futuros. A bancada

resiste a testes com ar comprimido pressurizado a até 4 MPa, com folgas de

aproximadamente 0,3mm nos selos e um eixo que possa girar a rotações em torno de 10000

20

rpm.

A bancada é composta dos componentes apresentados na figura 5 e descritos na

tabela 2.

Figura 5 – Vista frontal cortada pelo plano XY da bancada de testes. (Fonte: retirado de [2].)

Tabela 2 – Identificação das peças da bancada de testes

Número identificador Peça

1 Eixo

2 Flange de Rolamento

3 Desbalanceamento

4 Montagem central

5 Bucha do sensor

6 Tubo com flanges

7 Tampa

8 O-ring 437

9 Estator Magnético

10 Rotor Magnético

11 Rolamento 6304-2Z

12 Motor

Fonte: retirado de [2].

A montagem central, identificada com o número 4 na figura 5. Na figura 6, o selo

labirinto pode ser visto central à vista explodida da montagem central da bancada.

21

Figura 6 – Vista explodida da montagem central. (Fonte: retirado de [2].)

Como fonte de dados mais simples, versátil e barata do que o projeto em escala real,

pretende-se com este projeto realizar estudos nesta bancada de forma rápida e barata.

Atualmente as peças utilizadas na bancada descrita anteriormente são fabricadas em

alumínio, um processo de usinagem demorado e dispendioso. Dessa forma, a alternativa

proposta é que peças fabricadas por manufatura aditiva possam ser utilizadas em testes de

bancada. Em comparação ao processo tradicional de usinagem, a tecnologia permite que

sejam confeccionados e testados diversos modelos de peças para determinar qual oferece

melhor desempenho e estabilidade quando utilizado na turbomáquina em questão de forma

prática, devido a elevada capacidade e velocidade de prototipagem. Para isso, é necessário

determinar se peças fabricadas pelo método de manufatura aditiva disponível são capazes de

reter ar pressurizado, sem que escape ar por entre suas paredes. Do contrário, o resultado

dos testes com peças que não cumprem esta função ficam comprometidos. A fim de avaliar

se peças em manufatura aditiva podem ser utilizadas para o objetivo proposto, estuda-se uma

variação de parâmetros e critérios de impressão para aferir a possibilidade de vedação a ar.

Assim, propõe-se neste trabalho o uso de uma cavidade (geometria simplificada pensada a

partir do selo, o qual origina este trabalho) fabricada por manufatura aditiva a fim de avaliar

se o ar pressurizado injetado dentro dela - conforme configuração da bancada - vaza por sua

superfície.

No entanto, esse tipo de manufatura requer que sejam considerados fatores

22

particulares a ela a fim de obter um protótipo satisfatório para aplicação à qual foi designado.

Esses pontos são tratados nas seções seguintes deste trabalho.

3.2. METODOLOGIA

Nesta seção é descrito o processo de concepção do desenho da cavidade, bem como

características da fabricação que eventualmente possam influenciar nas dimensões e

geometrias da peça. Além disso, avaliam-se os parâmetros da manufatura aditiva que afetam

o desempenho da peça em questão, isto é, avaliação de vazamento pela sua superfície.

3.2.1. CONCEPÇÃO DAS PEÇAS-TESTE

O foco deste trabalho é estudar a fabricação em si de uma componente com esse tipo

de aplicação – vedação de fluxo de ar – e os fatores que o influenciam. Esses testes

compreendem o desempenho do ponto de vista de vedação de ar ao variar os parâmetros de

impressão.

Neste projeto, há concepção e teste de duas peças de geometrias distintas. A primeira,

denominada de peça I, é uma cavidade de forma cilíndrica, fechada em suas extremidades

pelo próprio depósito de material polimérico. Em sua face côncava, isto é, na lateral do cilindro,

há dois orifícios para entrada de ar pressurizado. Por fim, no intuito de reproduzir uma peça a

ser montada concêntrica ao eixo de forma simples, a peça é bipartida, composta por duas

partes simétricas no plano horizontal.

A segunda peça, denominada de peça II, é um cilindro oco simples fechado em uma

das extremidades pela impressão 3D de material polimérico. A outra extremidade é o próprio

orifício para entrada de ar pressurizado.

A concepção de uma peça menor e mais simples - peça II - teve como motivação

agilidade e simplificação para sua fabricação em manufatura aditiva, processo ainda de

técnica incipiente, e diminuição de gasto excessivo de material oriundo de falhas de impressão

e peças maiores.

3.3.2. PARÂMETROS DE IMPRESSÃO

23

Adotado o método de fabricação por manufatura aditiva, verificou-se sua viabilidade

tecnológica. O LAVI dispõe de uma impressora 3D FDM (Koios), que é utilizada para

confecção das peças propostas.

O diâmetro do bico de extrusão não varia neste trabalho e seu valor é fixo em 0,25mm.

A seguir estão descritos parâmetros que podem ser alterados no software de corte da

impressora e vale mencionar que, por conta da aplicação de selo de fluxo de ar, o foco deste

trabalho será avaliar como os parâmetros de impressão influenciam a qualidade da peça do

ponto de vista de vedação.

• ALTURA DE CAMADA

A manufatura aditiva por impressão 3D FDM é realizada por meio da verticalização,

isto é depósito de material do filamento em camadas. Esse processo é repetido várias vezes

e depositando camadas suficientes se obtém um objeto físico real. A altura da camada é o

deslocamento vertical do bico de extrusão de uma camada para outra para nova fase de

depósito de material. Um objeto é impresso apenas com uma dimensão de altura de camada.

Este parâmetro corresponde à resolução da peça impressa, uma vez que à medida

que a altura da camada diminui, os detalhes de impressão se tornam mais nítidos. Para um

bico de 0,25mm como o utilizado, é comum aplicar um valor de altura de camada 0,15mm a

fim de obter maior qualidade de fabricação da peça.

No entanto, uma redução do valor da altura da camada implica em um maior tempo de

impressão. Uma diferença de 0,05mm na altura da camada pode ter impacto de até 150% de

aumento do tempo de impressão, segundo observações feitas no laboratório ao longo de

diversas manufaturas de peças. O tempo também adiciona o risco de descolamento e

eventual envergamento da peça impressa em função do resfriamento do material. A peça

resfria conforme o crescente aumento do intervalo de tempo de impressão e, por

consequência se contrai, mesmo com o aquecimento da base da impressora.

A altura de camada pode afetar o módulo de ruptura, segundo a avaliação de Lužanin

[20]. Em variações de 0,2mm de altura de camada, o valor de módulo de ruptura do

componente impresso em PLA – utilizado no trabalho mencionado – pode variar mais que

triplicar, sem, contudo haver uma linearidade nesse comportamento. A conclusão é definida

por meio de estatística.

24

• PERÍMETRO OU ESPESSURA DA PAREDE

O perímetro da peça são as paredes externas da peça, que garantem o aspecto visual

e também oferece proteção externa lateral. Quando a impressora imprime estas paredes, ela

desenvolve uma velocidade inferior. A espessura da casca é determinada por meio de número

de perímetros e impacta diretamente na força e rigidez que o objeto 3D irá ter. Normalmente

se utiliza dois perímetros em peças neste trabalho, este padrão é mantido.

O perímetro da peça impacta a resistência mecânica, e seu efeito nessa característica

é muito superior ao efeito da altura de camada – como estudado em trabalhos anteriores. [21]

• DENSIDADE DE PREENCHIMENTO

Configurado por definição de porcentagem, a densidade de preenchimento determina

a quantidade de material a ser impresso dentro do perímetro da peça. Este parâmetro

influencia diretamente a capacidade do componente de vedar a passagem de ar pelas suas

paredes. Isto porque a densidade de preenchimento define o air gap, isto é, a porosidade,

tanto o tamanho dos poros quanto a quantidade deles.

Figura 7 – Comparação de componentes impressos com distintas densidades de preenchimento. (Fonte: retirado de [22])

O parâmetro estudado nesta seção tem efeito relevante na resistência mecânica do

componente impresso. Diversos trabalhos foram realizados a fim de avaliar a tendência de

variação de propriedades mecânicas como resistência à tração e módulo de elasticidade [20]

[22] [23] [24] [25] [26]. Dentre elas, é constatado que tanto o limite de resistência a tração

quanto o módulo de elasticidade de peças impressas são diretamente afetados pela

25

densidade de preenchimento definida. Quanto maior a porcentagem de preenchimento, maior

o módulo de elasticidade. O estudo de Johnson e French [22] avalia essa variação em

diversos materiais e porcentagens de impressão. À medida que a densidade de

preenchimento diminui, os valores encontrados nos testes para resistência à tração de todos

os materiais se aproximam, indicando que este parâmetro de impressão tem um impacto

significativo na resistência à tração. No entanto, ponderam que, por haver maior depósito de

material, o tempo de impressão conforme o aumento da porcentagem de preenchimento.

Também Lužanin et al [20] analisou quantitativamente a influência do ângulo de deposição e

densidade de preenchimento na resistência à flexão e à compressão. Densidade de

preenchimento de 30% com ângulo de deposição 0º resultou em maiores resistências.

Novamente entra em questão o resfriamento da peça. Um aumento no tempo de

impressão acarreta, principalmente em impressoras abertas, em resfriamento da peça durante

a manufatura. No entanto, por ser um fator crítico para a aplicação da peça, recorre-se a

artifícios para manter a integridade da peça, sem que haja descolamento da mesma para que

possa ser utilizada a densidade máxima de preenchimento - 100%. Um exemplo é uma

substância aderente em forma de spray a ser aplicada na mesa de impressão previamente ao

início do processo e ela, por sua vez, garante maior aderência da peça à mesa.

• CRIAÇÃO DE SUPORTE

O processo FDM também pode utilizar um material de suporte que é depositado

formando uma estrutura parcialmente aderida à peça, a fim de proporcionar maior apoio,

estabilidade e precisão geométrica à construção. Esse material de suporte é retirado

mecanicamente ou quimicamente após a fabricação. [27]

• MATERIAL DO FILAMENTO

Dependendo do material escolhido para realizar a impressão, alguns parâmetros

devem ser alterados em função de suas características. E, logicamente, esses possuem

propriedades distintas.

O ABS é o filamento mais comum por ser barato e simples de realizar a impressão. A

manufatura aditiva realizada pelo processo de FDM, de forma geral, mesmo com uma

definição de altura de camada reduzida, tem uma rugosidade da superfície externa que

prejudica seu uso em determinadas aplicações. Esse material permite o uso de pós-

26

tratamento de superfície, a fim de melhorar a sua qualidade e integridade.

O ABS, no entanto, não é recomendado para casos de elevada tensão ou compressão.

Observa-se em estudos que objetivam o estudo da anisotropia sob tração e compressão de

peças fabricadas por FDM, que o caráter altamente anisotrópico teve no mecanismo de falha

a prevalência pelo descolamento das camadas. [27] Em caso de criação de suporte, sua

extração pode ser realizada sem auxílio de ferramenta ou uso de químicos e sem prejudicar

a integridade da peça.

Contrapondo o ABS, as camadas depositadas de policarbonato aderem mais entre si,

o que contribui para seu uso neste trabalho. Além disso, possui elevada resistência mecânica,

adequada para suportar a pressão interna imposta neste estudo. Entretanto, seu processo de

impressão é peculiar em função da elevada temperatura de extrusão exigida. A fim de manter

a peça manufaturada a uma temperatura mais elevada e aderente à placa onde é impressa,

são usados diferentes métodos, como uso de spray aderente e placa porosa na mesa térmica.

Dessa forma, previne-se o resfriamento da peça e consequente retração da peça – cerca de

0,5% [19] - durante a impressão. Um fato como este prejudica a confecção do componente e,

dependendo da variação dimensional e geométrica, pode acarretar em descarte do mesmo

antes do término da impressão. Deve-se levar em consideração esse aspecto, uma vez que

a manufatura de peças maiores, podem vir a acarretar em maior desafio.

O PLA, por sua vez, adere bem à mesa de impressão a temperatura ambiente, uma

vantagem em manufatura aditiva em FDM realizado em impressora aberta. Porém, elementos

impressos em PLA tendem a não resistir elevadas temperaturas, em que se apresentam

deformações acima de 60°C. A retração do PLA devido ao seu resfriamento durante e após o

processo de impressão, sabe-se que este é um dos grandes problemas que afeta a precisão

dimensional das peças impressas nesse material [19]. É um material de resistência mecânica

inferior aos demais, que, no entanto, varia menos ao alterar valores de densidade de

impressão. Por fim, essa propriedade mecânica pode - atrelada à baixa resistência à

temperatura - inviabilizar sua aplicação no projeto estudado neste trabalho. Por fim, a criação

de suporte também é um fator crítico, pois a sua retirada é difícil e pode até danificar a peça

impressa.

O PLA não necessita de plataforma aquecida para impressão, porém essa ação

melhora a qualidade da impressão. O ABS, por outro lado, apresenta uma qualidade de

acabamento superior, com incidência de defeitos por impressão menor que o PLA. Esse

material também apresenta possibilidades de tratamento pós-impressão, como banho a vapor

com acetona, que proporciona melhorias na superfície do objeto impresso. Já com o

policarbonato, deve-se atentar para a altura da primeira camada. Isto porque pode haver

acúmulo de material no bico injetor se a altura da camada for muito pequena, especialmente

na primeira camada. Caso isso aconteça, ao iniciar a impressão da camada imediatamente

27

superior, o material acumulado pode aderir à impressão da nova camada, comprometendo a

manufatura da peça.

Todos esses parâmetros têm poder de influência na capacidade de vedação da peça

testada neste trabalho. Antes mesmo de imprimir a peça, a configuração final com a

combinação dos valores dos parâmetros pré-definidos pode ser avaliada no software

“fatiador”, que representa camada a camada como será feita a impressão. Muitas vezes,

falhas ficam ocultas dentre as camadas uma vez que o componente é impresso, porém, no

software é possível verificar esses problemas antes do gasto de tempo e de material. A

influência de uma alteração de parâmetros também pode ser visualizada no software evitando

reimpressão sem modificações expressivas.

• INFLUÊNCIA DA GEOMETRIA

No entanto, a definição ajustada para os devidos fins dos parâmetros não é o

determinador único do desempenho do elemento. As dimensões e geometria do projeto

também determinam a capacidade de sucesso da peça.

Dentre eles, pode-se mencionar a espessura das paredes da peça teste. A espessura

da parede determina o quanto de material consegue ser colocado entre o perímetro externo

da peça e interno da parede. Se a distância entre eles for muito pequena, o preenchimento

não é satisfatório, uma vez que não há espaço suficiente a ser preenchido com o padrão

determinado, como ângulo de impressão. Essa influência pode ser observada na figura 8. O

preenchimento mais denso diminui o tamanho e quantidade dos air gaps na impressão,

favorecendo a vedação.

28

Figura 8 - Cilindro impresso visto no software fatiador com diferentes espessuras de parede. (Fonte: retirado de [28].)

Como uma das grandes vantagens da impressão 3D é a possibilidade de criação de

diversas geometrias. Assim, deve ser levada em consideração a influência de uma forma

arbitrária ao desempenho do componente. Os objetos cilíndricos oferecem menor número de

poros e a melhor qualidade de impressão. Isso porque as áreas mais porosas são as arestas

e vértices e essa relação é explicada pela diferença no posicionamento de camada. Nos

cilindros – e nos cubos também – elas estão posicionadas exatamente uma em cima da outra,

diferentemente como ocorre em uma peça cônica, por exemplo. Desse modo, o contato entre

as camadas da impressão é mais efetivo.

Neste trabalho, as cavidades definidas, peças I e II, têm formato cilíndrico. Esse fator

oferece maior contato entre as camadas, menor número de poros, por ausência de partes

críticas (arestas e vértices) e, consequentemente, melhor qualidade de impressão.

3.3. PROJETO DAS PEÇAS-TESTE

É abordado nesta seção, o desenho final das peças concebidas na seção 3.2.1 deste

29

trabalho (Concepção das Peças-Teste), considerando os parâmetros de impressão que

podem influenciar a sua geometria e dimensão.

De acordo com projetos previamente realizados no laboratório, a espessura mínima

que a parede de um elemento fabricado por manufatura aditiva deve ser 1,5mm. Isso é, para

que haja preenchimento que complete o espaço do perímetro e que haja resistência mecânica

suficiente para suportar a pressão interna imposta, é adotada essa espessura mínima.

Outro fator a considerar-se é a precisão de impressão. A impressora 3D FDM não é

totalmente fiel ao desenho a ser impresso em função desse fator. Pode-se mencionar os

orifícios para entrada de ar também como pontos críticos. A dimensão de um diâmetro interno

tende a ser menor que o projetado, porque durante a impressão, o depósito de material

costuma ultrapassar o limite do diâmetro do furo, tornando ele de menor diâmetro em alguns

décimos de milímetro. Assim, deve-se incluir no desenho do projeto alguns décimos a mais

nos diâmetros internos, cerca de 0,4mm. Além de falhas de precisão no depósito de material

durante a impressão, deve-se levar em consideração a retração do material usado, que no

caso do PLA e do policarbonato podem reduzir em até 1,35% a dimensão impressa. [7]

Dessa forma, as peças I e II, mesmo com geometrias distintas, seguem essas

considerações citadas em seu desenho e dimensionamento. Os desenhos técnicos delas

estão nos Anexos I e II, respectivamente. Ambas as peças são projetadas em software CAD,

no SolidWorks.

Nos orifícios de entrada de ar nas duas peças, utiliza-se uma conexão pneumática

com engate rápido de mangueira. Portanto, a dimensão do diâmetro desse orifício

corresponde ao necessário para encaixe desse componente. A dimensão deste último se

deve à mangueira utilizada no compressor disponível no laboratório. A mangueira de 8mm

determina a conexão pneumática utilizada correspondente, com rosca padronizada 1/4” BSP

com 19 fios por polegada.

Um teste de impressão de fio de rosca interno foi realizado prévio ao desenho das

peças I e II. Verifica-se que o processo é complexo e seu resultado não é satisfatório. A rosca

interna a ser impressa pode resultar em criação de suporte ou mesmo deformações durante

a impressão. O passo da rosca a ser utilizada é padronizado e tem dimensão muito pequena,

0,75mm. Dimensões diminutas em impressão não reproduzem fielmente o desenho em

software da rosca e o encaixe rosqueado é, assim, comprometido. Em função disso, o

desenho de fio de rosca interno para encaixe da conexão pneumática é desconsiderado para

fabricação. Em vez disso, por ser composto de material polimérico, que é flexível, é possível

realizar a montagem das peças com as conexões deformando a superfície interna das

entradas de ar conforme encaixe. Dessa forma também, garante mais firmeza e menor chance

de vazamento pela rosca.

Quanto ao material, segundo considerações na seção 3.3.2 (Parâmetros de

30

Impressão, Material do Filamento), utiliza-se o ABS e o policarbonato. O PLA, por possuir

propriedades mecânicas similares ao ABS, porém desvantagens do acabamento no resultado

da manufatura aditiva, ele não é usado nos testes descritos na próxima seção.

Por fim, a peça I possui a particularidade de ser bipartida e, por isso, há complicações

de vedação na montagem a ser levado em consideração. É utilizada borracha para cumprir

este papel de vedação de montagem na face de união das partes e a fixação delas é feita por

2 parafusos M4 nas extremidades da peça I em questão. A peça I é apresentada na figura 9.

Figura 9 – Vista isométrica da peça I em SolidWorks. (Fonte: da autora.)

A peça II, não possui particularidades por se tratar de uma geometria simples. Seu

desenho final é apresentado na figura 10. A fim de manter as dimensões da peça II, o diâmetro

interno dela é reduzido em 2 mm para que o sulco da rosca seja compatível para montagem.

Além disso, adiciona-se um chanfro para facilitar o encaixe adequado da conexão pneumática

ao orifício. Isso evita que a conexão esteja torta e venha a danificar a peça, como

descolamento das camadas.

O cilindro impresso é simples, de altura suficiente para acomodar a conexão

pneumática e espessura de parede 3mm. Assim, a peça possui altura total de 9mm e foi

adicionado o chanfro para facilitar o encaixe rosqueado da conexão.

31

Figura 10 – Vista isométrica da peça II em SolidWorks. (Fonte: da autora.)

3.4. ELABORAÇÃO DE TESTES

Nesta seção, serão descritos os testes conforme suas condições e peças utilizadas.

São descritos 5 testes, com duas geometrias de peças, parâmetros de impressão e materiais

distintos. As condições de teste de aplicadas, no entanto, são as mesmas para todos. Neste

trabalho, avalia-se o vazamento de ar pelas paredes das peças feitas por manufatura aditiva.

A condição padrão que se repete em todos os testes são o engate de uma mangueira

de 8mm à conexão pneumática de rosca 1/4” BSP com 19 fios por polegada e ar pressurizado

a cerca de 6 bar pelo compressor disponível no laboratório. Adiciona-se uma camada de teflon

na rosca da conexão para impedir eventual vazamento por ela. A bancada para realização

dos testes é a mesma e é mostrada na figura 11. Nela é possível observar a mangueira de

entrada de ar pressurizado, a peça teste ao centro, uma proteção de acrílico para eventual

colapso da peça durante o teste e iluminação para facilitar a avaliação de vazamento e

deformações. Cada um dos testes utiliza o projeto de uma das peças teste com variação de

material e/ou de parâmetro de impressão. Ao final desta seção, é apresentada uma tabela

que resume as características de cada teste.

Os parâmetros de impressão foram definidos baseado em conhecimento empírico

oriundo de testes anteriores realizados no próprio laboratório. Nestes, impressões com ABS

a uma altura de camada 0,4mm foram concluídas com o mínimo de defeitos na peça final e

sem problemas de contração a ponto de causar descolamento da mesa.

Quanto à densidade de preenchimento, elege-se valores elevados, uma vez que o

intuito é ter o mínimo de air gaps dentro da peça. No entanto, a fim de reduzir o tempo de

32

impressão e evitar problemas por ele acarretados, elegeu-se uma peça a ser confeccionada

com densidade de preenchimento inferior a 100% - densidade de garantiria mínima

quantidade de permeabilidade na peça.

Figura 11 – Bancada de teste padrão com peça teste ao centro. (Fonte: da autora.)

No teste A, a peça I foi fabricada com altura de camada 0,4mm, densidade de

preenchimento de 90% utilizando ABS.

No teste B, é adicionada cobertura de resina epoxy à peça I também impressa em

ABS, conforme figura 12. Este acabamento de superfície é acrescido a fim de vedar eventuais

poros existententes em função da fabricação. Os parâmetros de impressão são os mesmos

da peça usada no teste A; 0,4mm de altura de camada e 90% de densidade de preenchimento.

33

Figura 12 – Peça em ABS coberta por resina epoxy. (Fonte: da autora.)

Como peças impressas em ABS podem passar por processos de pós-tratamento, essa

alternativa também é avaliada neste trabalho. Esses pós-tratamentos são capazes de

melhorar a integridade e rugosidade da superfície do componente de ABS fabricadas pelo

processo FDM. Dentre eles, pode-se mencionar o banho de vapor de acetona. O ABS não

reage com a acetona e as propriedades químicas da peça não apresentam alteração. A

acetona possui baixo custo, baixa toxicidade e alta difusão. [29] No processo, a peça é

suspensa no banho de vapor e permanece por um período de tempo – estipulado no trabalho

de 24h. O resultado pode ser visto na figura 13 a seguir.

34

Figura 13 – Componente impresso em ABS com pós-tratamento de banho de vapor de acetona. (Fonte: da autora.)

No teste C, a peça I é fabricada em ABS, com altura de camada 0,3mm e densidade

de preenchimento de 100%. Uma vez impressa e após completar o processo de pós-

processamento de banho de vapor de acetona, descrito anteriormente, é testada sob as

mesmas condições mencionadas no início desta seção.

Para o teste D, é adotado outro material, o policarbonato. A escolha por esse material

se deve por sua aderência superior entre as camadas em comparação com o ABS e maior

resistência mecânica que o PLA. A altura de camada é superior às peças fabricadas em ABS

a fim de evitar acúmulo de material no bico injetor, que pode vir a ser depositado durante a

fabricação da peça e, assim, comprometer sua integridade. Para a peça utilizada no teste D,

o preenchimento é 100% e altura de camada 0,65mm.

A impressão das peças manufaturadas com filamento de policarbonato conta com

auxílio de método para manter sua integridade durante a fabricação. À mesa térmica da

impressora, adiciona-se uma placa porosa a fim de elevar a aderência, mitigando prejuízos

oriundos da retração da peça ao resfriar.

Por fim, o teste E também é a peça II impressa em policarbonato, utilizando os mesmos

métodos para garantir integridade da peça durante a impressão e parâmetros de impressão.

A exceção é a quantidade de perímetros utilizada. O padrão, adotado nos 4 primeiros teste, é

de 2 perímetros. Neste última teste, utiliza-se 3 para verificar a diferença de desempenho em

vedação de ar pelas paredes da peça.

Ambos os testes D e E, após montagem com a conexão pneumática e encaixe com a

mangueira de ar pressurizado, tem como aspecto final o apresentado na figura 14.

35

Figura 14 - Peça II montada à conexão pneumática com mangueira, conforme testes D e E. (Fonte: da autora.)

Nos testes, garante-se, em certo grau, a vedação da conexão com uso de fita de teflon.

Por ser uma cavidade totalmente fechada, o ar pressurizado não tem uma saída prevista em

projeto. Dessa forma, é esperado um pouco de vazamento de ar pela conexão pneumática,

sem que isso comprometa a avaliação do resultado dos testes. Caso a conexão esteja mal

posicionada, não for utilizada um componente selante em sua rosca ou qualquer outro fator

afete significativamente a saída de ar pela própria conexão, o teste é refeito e o resultado,

descartado. Cenários assim, podem levar a testes com conclusões errôneas, pois há redução

considerável da pressão na cavidade.

A tabela 3 resume as peças fabricadas para utilização nos cinco testes mencionados.

Tabela 3 - Resumo dos parâmetros das peças fabricadas para utilização nos testes.

Teste Peça Teste

Material

Altura de

camada [mm]

Perí-metro

Densidade de Preenchimento

[%]

Pós-Trata-mento

Teste A I ABS 0,4 2 90 -

Teste B I ABS 0,4 2 90 Resina Epoxy

Teste C

I ABS 0,3 2 100 Banho de Vapor de Acetona

Teste D

II Policarbonato 0,65 2 100 -

Teste E II Policarbonato 0,65 3 100 -

Fonte: da autora.

36

3.5. ESTUDO DE ELEMENTOS FINITOS

Como todos os testes foram realizados com pressão constante a 6 bar, avalia-se se

haverá deformação ou ruptura dos mesmos em função da pressão. Os materiais utilizados

nos testes, ABS e policarbonato, são polímeros e os diagramas tensão-deformação deles em

condição sólida antes de passar pela fusão para manufatura aditiva, estão apresentados a

seguir para referência.

Figura 15 - Diagrama tensão-deformação do ABS. (Fonte: retirado de [30].)

Figura 16 – Digrama tensão-deformação do PC. (Fonte: Sardinha, Naylor (2004), Comportamento Mecânico Do Policarbonato Exposto À Radiação Gama - Instituto Militar de

Engenharia)

Por ser apenas uma estimativa, para garantir avaliação de vazamento da peça sem

interferência de eventuais deformações e colapsos por causa da pressão, desconsideram-se

aqui variações da integridade da peça. Elas podem ocorrer por diferença de densidade de

37

preenchimento, altura de camada e alteração de propriedades mecânicas após a fusão do

polímero.

São feitas simulações de elementos finitos no software SolidWorks para avaliar as

tensões, que mais se aproxima do modelo de vasos de pressão sólidos, e deformações. As

tensões dependem das variáveis: pressão interna p, diâmetro interno d e espessura de parede

t. Para tensão nas paredes laterais de vasos de pressão sob pressão interna, σ1, pode ser

descrito como:

𝜎1 = 𝑝. 𝑑

2𝑡

A tensão nas tampas do cilindro, por sua vez corresponde a:

𝜎3 = 𝑝. 𝑑

4𝑡

As tensões máximas de von Mises resultantes do estudo de elementos finitos são

comparadas com o limite de escoamento dos materiais utilizados nos teste; o ABS e o

policarbonato. Também são avaliadas as deformações máximas oriundas dos testes em

ambas as peças.

Na peça I, que é bipartida, uma eventual deformação ou deslocamento da peça pode

comprometer a montagem e, consequentemente, o desempenho da peça em vedar ar dentro

da cavidade. Por se tratar de um ponto crítico, um dos estudos em elementos finitos avalia se

há essas deformações oriundas da aplicação de pressão que podem acarretar em

comprometimento da peça. É simulada com condição de contorno fixo apenas nos furos dos

parafusos.

Ademais, a fim de reproduzir as condições de uma peça fabricada por manufatura

aditiva, composta de camadas depositadas, são simuladas duas camadas com altura utilizada

nos testes (cerca de 0,4mm). A condição de contorno entre as camadas sobrepostas é de

contato sem penetração entre as faces. Para simular fusão entre camadas, determinou-se

que as arestas inferior e superior são fixa, sem qualquer grau de liberdade. Por fim, a face

inferior da primeira camada é fixada para restringir movimento. Na figura 17, as setas verdes

evidenciam as condições de contorno e as setas laranjas, a pressão aplicada nas paredes

internas da peça.

38

Figura 17 - Condições de contorno e carga aplicada simulando duas camadas de 0,4mm sobrepostas por manufatura aditiva. (Fonte: da autora.)

Em todos os estudos de elementos finitos, as condições aplicadas são similares a dos

teste, com pressão de 0,6 MPa em todas as paredes internas das peças e, no caso da peça

I, condição de contorno fixa em torno dos furos dos parafusos de união de partes. Nas

simulações, desconsidera-se qualquer vazamento pelo orifício de entrada de ar, onde deve

ser posicionada a conexão pneumática.

4. RESULTADOS

Nesta seção, são expostos os resultados obtidos a partir das simulações realizadas

em software CAD e dos testes descritos anteriormente, respectivamente. Nas simulações de

elementos finitos, são avaliadas as tensões máximas e comportamento em modelo proposto

de reprodução de uma peça em camadas impressa em 3D. É observado nos testes

principalmente a capacidade de vedação do ar pressurizado injetado dentro da peça estudada

e sua integridade após o teste. Dessa forma, avalia-se como os parâmetros de impressão

determinam o resultado de uma cavidade capaz de reter ar pressurizado em seu interior, sem

que haja vazamento por suas paredes impressas em 3D.

Como as geometrias das peças usadas nos testes A, B e C são idênticas, assim como

39

as dos testes D e E são as mesmas e, por fim, as condições de todos os experimentos são

iguais, bastam duas simulações para os fins deste trabalho. Em todas as simulações, foi

aplicada uma pressão de 0,6 Mpa, equivalente a 6 bar na paredes internas no componente.

Os resultados de a simulação exposta a seguir valem para os testes A, B e C. Em

todos os estudos de elementos finitos aqui apresentados, a carga aplicada é uma pressão de

0,6 MPa nas superfícies internas da peça I (apresentado na figura 18) e a condição de

contorno é fixa nos furos dos parafusos.

Figura 18 - Carga externa de pressão de 6 bar aplicada às superfícies internas da peça I no SolidWorks. (Fonte: da autora.)

40

Figura 19 - Tensão de von Mises resultante da aplicação de pressão na peça I. (Fonte: da autora.)

Na figura 19, com o resultado da simulação, a tensão máxima observada na peça I de

ABS é de 26,28 MPa. Esse ponto trata-se da aresta interna da peça, ponto de singularidade

de tensão na simulação de elementos finitos. A malha foi refinada a fim de avaliar a

convergência e o resultado neste ponto tende ao infinito, enquanto as áreas adjacentes

mantinham a distribuição de tensão inalterada. Dessa forma, considera-se a verdadeira

tensão máxima 17.6 MPa, representada em verde na parte central da peça. Tal tensão é

inferior ao limite de escoamento do ABS.

O deslocamento máxima equivalente esperada da peça I em ABS é 1,7 mm na parte

central da parede da cavidade, evidente na vista superior da peça na figura 20, em escala 5:1

para melhor visualização da configuração de deslocamento.

41

Figura 20 - Deslocamento máximo resultante da aplicação de pressão na peça I. (Fonte: da autora.)

A peça I, utilizada nos testes anteriormente mencionados, é bipartida. A união das

partes também é crítica para garantir tanto o desempenho como a avaliação deste durante o

teste. Isso porque, para a avaliar se há vazamento de ar por suas paredes impressas, os

potenciais pontos de saída do ar, devem estar totalmente vedados para não influenciar o

resultado. A fim de garantir a vedação na bipartição, a união é feita com uma placa de borracha

e parafusos M4, conforme descrito na seção 3.2.1.

Os resultados do estudo de elementos finitos abaixo, figura 21, visa servir de base

para avaliação se a montagem e consequente vedação de ar da cavidade é prejudicada.

42

Figura 21 - Deslocamento na bipartição da peça I em estudo de elementos finitos no software SolidWorks. (Fonte: da autora.)

Conforme apresentado na figura 21, em escala 5:1 para melhor visualização, o

deslocamento na direção do eixo Y da peça esperada nos testes propostos neste trabalho,

segundo a simulação, é de 0,2945 mm. O deslocamento é avaliada nesta direção

particularmente a fim de verificar se as partes unidas são separadas pela pressão aplicada

internamente. Um deslocamento desta dimensão não prejudica a peça I, pois a borracha

comprimida entre as partes na união, garante a vedação da montagem.

Durante o teste A, o vazamento de ar pelas camadas foi notável por meio do próprio

som. O fluxo de ar avaliado empiricamente aponta tanto para uma grande quantidade de air

gaps quanto para o tamanho excessivo deles. Não houve qualquer deformação ou

deslocamento detectável do componente impresso decorrente do teste realizado, como

previsto nas simulações.

No teste B, mesmo com cobertura de resina epoxy, ainda é possível constatar

vazamento. A resina não é capaz de selar a peça; o ar pressurizado escapa entre as camadas

de material impresso e forma bolhas de resina epoxy, evidentes durante o teste. Assim como

no teste A, não há comprometimento da peça teste por deformação.

No teste C, o vazamento de ar pela superfície não é evidente. Diferente dos testes

anteriores, o vazamento não pode ser constatado pelo som, como no teste A, ou pela

formação de bolhas, como no teste B. Por ser uma peça à qual é aplicada pós-tratamento e

com densidade de preenchimento de 100%, seu desempenho é melhor que dos testes

anteriores. Um vazamento é mais simples de identificar pela formação de bolhas, método

similar utilizado por Gordeev. [28] Para isso, com uma mistura de água e sabão espalhada

43

pela superfície da peça, é possível identificar o vazamento de ar pressurizado de dentro da

cavidade para fora, uma vez que são formadas bolhas de sabão por onde o ar escapa entre

camadas. Não é observada qualquer deformação da peça após o teste, mesmo com aplicação

de pós-tratamento.

Os resultados de a simulação exposta a seguir valem para os testes D e E. Em todos

os estudos de elementos finitos aqui apresentados, a carga aplicada é uma pressão de 0,6

MPa nas superfícies internas da peça II, como apresentado na figura 22.

Figura 22 - Carga externa de pressão de 6 bar aplicada às superfícies internas da peça II no SolidWorks. (Fonte: da autora.)

44

Figura 23 - Tensão de von Mises resultante da aplicação de pressão na peça II. (Fonte: da autora.)

Na figura 23, com o resultado da simulação, a tensão máxima observada na peça II de

policarbonato é de 3,24 MPa. Este ponto se trata de singularidade, sendo a tensão máxima

resultante, 2,6MPa. Esta tensão corresponde a um valor 23 vezes inferior ao máximo admitido

(4,4% do limite de escoamento).

O deslocamento máxima esperada da peça II em PC se resume à 0,0157 mm na parte

central no fundo da peça, evidente na vista superior da peça na figura 24.

45

Figura 24 - Deslocamento máximo resultante da aplicação de pressão na peça II. (Fonte: da autora.)

O padrão de deslocamento resultante está em escala de ampliação 100:1 para melhor

visualização e pode ser identificado na figura 25.

Figura 25 - Deslocamento máximo da peça II em evidência em escala 100:1. (Fonte: da autora.)

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No teste D, não há vazamento pela superfície da peça. Em um primeiro momento,

verifica-se se há sinais evidentes como deformações e som de ar escapando entre as

camadas de suas paredes. Como não é identificado nenhum desses, utiliza-se novamente a

mistura de água com sabão para avaliar formação de bolhas, em função de uma pequena

quantidade de ar que vaze pela superfície. Não há formação dessas bolhas na superfície da

peça durante o teste D.

No teste E, o resultado foi similar ao do teste D. Com a mesma geometria de peça e

utilizando mesmo material, o policarbonato, a peça II manufaturada com 3 perímetros também

não apresenta vazamento por entre suas camadas. Não há em nenhum dos dois testes com

a geometria da peça II que apresente deformação devida à pressão aplicada em seu interior.

Finalmente, segundo proposto na seção 3.5 (Estudo de Elementos Finitos), a figura

26, apresenta o deslocamento entre camadas sobrepostas por meio da manufatura aditiva.

Figura 26 - Deslocamento entre camadas de impressão 3D aplicada pressão. (Fonte: da autora.)

O deslocamento entre camadas tem como valor máximo 0,2785 mm. Deformações

dessa magnitude podem formar espaços susceptíveis a vazamento de ar, considerando o

modelo proposto de adesão entre camadas da peça impressa em 3D. No entanto, por haver

uma sobreposição de camadas em posições distintas e não-alinhadas, na realidade, a chance

desses espaços causados por deformações vir a se sobrepor, se reduz. Assim, sob uma ótica

individualizada de uma camada, deformações existententes entre camadas são potenciais

pontos de vazamento. Porém, estes são atenuados pela imperfeição do processo da

manufatura aditiva em si.

47

5. CONCLUSÃO

A expansão dos métodos de manufatura aditiva permite que peças fabricadas por este

processo tenham mais aplicações em diversas áreas. Por se tratar de um processo em rápido

crescimento de interesse sobre tal, as pesquisas ainda estão em andamento a fim de avaliar

os limites, capacidades e vantagens que a manufatura aditiva tem a oferecer. Dentro da

engenharia mecânica, muitos estudos são conduzidos em bancadas de eixo rotativo.

Comumente, é utilizado o selo a fim de isolar partes primárias e secundárias da bancada de

testes, para não danificar elementos como motores e mancais; e também para balancear

forças axiais. Os selos possuem diversos formatos e configurações, que influenciam no seu

desempenho e estabilidade do eixo rotor. Como fonte de dados mais simples, versátil e barata

do que projetos em escala real, os resultados obtidos com este este projeto é precursor para

possibilitar essa melhoria por meio da impressão 3D. A avaliação da cavidade proposta neste

trabalho, permite averiguar os parâmetros de impressão e materiais que garantam que não

vaze ar pressurizado injetado em seu interior pelas paredes impressas.

Conforme avaliado na metodologia, são utilizados dois modelos de peças para serem

fabricados com diferentes parâmetros e diferentes materiais de impressão e testados sob as

mesmas condições. Verifica-se se por entre suas camadas há vazamento de ar, uma vez que

é não são continuamente sólidas - característica inerente à impressão 3D por FDM, usado

neste trabalho. Com a variedade das peças testadas, é possível determinar qual combinação

de fatores está mais adequada para aplicações selantes, como no caso de selos mecânicos.

Além dos testes, é apresentado um estudo estático de elementos finitos com o software

SolidWorks das tensões e deformações esperadas nos testes. Por fim, também em estudo de

elementos finitos, avalia-se as deformações em particular das faces de união da peça I

bipartida e entre camadas, segundo modelo proposto.

Os estudos de elementos finitos apontam que as tensões são suportadas por ambas

as peças, sendo as deformações de ambas também diminutas, sem comprometer a peça em

si. Na simulação da peça I, a qual é bipartida, o deslocamento esperada das interface das

partes não é suficiente para ser um ponto crítico de vazamento. Isto porque é utilizada uma

placa de borracha comprimida entre elas para garantir a vedação. Quanto a simulação de

descolamento entre camadas, deformações como a apresentada na simulação podem formar

espaços susceptíveis a vazamento de ar, conforme o modelo proposto de adesão entre

camadas da peça impressa em 3D. No entanto, a sobreposição de camadas em posições

distintas e não-alinhadas reduz a chance desses espaços serem críticos a vazamento de ar.

Assim, sob uma ótica individualizada de uma camada, deformações existententes entre

48

camadas são potenciais pontos de vazamento. Porém, estes são atenuados pela imperfeição

do processo da manufatura aditiva em si.

Os testes corroboram os estudos de elementos finitos, tendo em vista que não é

observada qualquer deformação ou mesmo colapso das peças. Quanto aos resultados dos

testes em si, as peças fabricadas em ABS não são bem-sucedidas em evitar vazamento pela

sua superfície, podendo, dessa forma, ser desconsiderado em testes e protótipos futuros. Nos

testes A e B, 90% de densidade de preenchimento também afeta negativamente para o

desempenho das peças. Isso apesar das vantagens econômica, simplicidade de processo de

fabricação e possibilidade de pós-tratamentos, aliados a propriedades mecânicas apropriadas

para o caso. O ABS não possui boa aderência entre suas camadas, o que fica evidente com

os testes e inviabilizando seu uso para aplicações deste tipo. Já as peças de policarbonato

têm processo de fabricação mais complexo, por exigirem uma vez que é limitado pelas

especificações da impressora disponível para uso do laboratório. No entanto, em peças

pequenas como a peça II proposta, o resultado é satisfatório para densidade de

preenchimento de 100% e os testes apresentam que é impedido o vazamento de ar pelas

suas paredes.

A fim de avançar em estudos mais específicos, como teste de selos mecânicos

fabricados pelo método FDM, deve-se levar em consideração as dimensões maiores dessas

peças - se for o caso - na fabricação em policarbonato. Nesse sentido, o material, atrelado a

parâmetros robustos de impressão, podem ser utilizados para agilizar e simplificar estudos

futuros em bancadas de teste com componentes fabricados por meio da manufatura aditiva.

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ANEXO I – DESENHO TÉCNICO DA PEÇA I

ANEXO II – DESENHO TÉCNICO DA PEÇA II