MECANISMO ASSISTIVO PARA MEMBRO SUPERIOR...

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MECANISMO ASSISTIVO PARA MEMBRO SUPERIOR

FABRICADO POR MANUFATURA ADITIVA

Pedro Humberto de Accioly Costa

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

Engenheiro.

Orientador: Max Suell Dutra

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

DEZEMBRO DE 2017

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ

MECANISMO ASSISTIVO PARA MEMBRO SUPERIOR FABRICADOR POR MANUFATURA ADITIVA


PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE

ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL

DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A

OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

Prof. Max Suell Dutra

Prof. Vitor Ferreira Romano

Prof. Ricardo Cunha Michel

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

DEZEMBRO DE 2017

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Costa, Pedro Humberto de Accioly

Exoesqueleto para Reabilitação de Membro Superior

Fabricado por Prototipagem Rápida / Pedro Humberto de

Accioly Costa. – Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica,

2017.

X, 40 p.: il. 29,7 cm


Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica /

Curso de Engenharia Mecânica, 2017.

Referências Bibliográficas: p. 65

1. Exoesqueleto 2. Manufatura Aditiva 3. Membro Superior

4. Reabilitação. I. Dutra, Max Suell. II. Universidade Federal

do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia

Mecânica. III. Exoesqueleto para Reabilitação de Membro

Superior Fabricado por Manufatura Aditiva.

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“Bem-aventurado o homem que acha sabedoria,

e o homem que adquire conhecimento.”

Provérbios 3. 13

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AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus por ter me dado o dom da vida, por me dar

saúde, paz e capacidade para compreender o conhecimento que adquiri nesta jornada,

e por Seu amor incondicional ao ponto de dar Seu único filho para que todo aquele

que nEle crer não morra, mas tenha a vida eterna.

Aos meus pais Humberto e Mônica que nunca mediram esforços para me

proporcionar uma educação de qualidade e por serem um exemplo de vida, ética e

compromisso com tudo que se dispõem a fazer.

A minha irmã Paula que sempre esteve ao meu lado, com quem sempre converso

e me divirto. A minha namorada Sara Antunes por seu apoio que vem desde antes de

ingressar a faculdade, sendo um exemplo de perseverança e empenho. Ambas servem

de motivação e de parâmetro para eu me espelhar.

Agradeço a meu professor orientador Max Suell Dutra, por todo conhecimento

transmitido, suporte e disponibilidade sem os quais não seria possível a realização desse

trabalho.

Agradeço também aos amigos que estiveram comigo, me acompanharam e

torceram pelo meu sucesso, o meu muito obrigado.

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

dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheira Mecânica.

MECANISMO ASSISTIVO PARA MEMBRO SUPERIOR

FABRICADO POR MANUFATURA ADITIVA


Dezembro/2017


Curso: Engenharia Mecânica

O projeto tem base na concepção de mecanismo fabricado por manufatura aditiva

de baixo custo que auxilie no movimento de flexão do braço, visando ajudar no processo

de reabilitação, servindo como equipamento fisioterapêutico acessível à população. Tal

dispositivo será otimizado através de análise estrutural além de cálculos teóricos,

levando em conta máquina e insumo de baixo custo, populares e de interface amigável,

disponibilizando o arquivo de computador com o modelo tridimensional para ser

fabricado massivamente por todos que tenham acesso a esta tecnologia, com custo de

fabricação muito inferior ao valor cobrado pelos exoesqueletos presentes no mercado.

Com o envelhecimento da população, concomitantemente a popularização da impressão

3D devido a queda dos preços, aumento da velocidade e precisão, será possível

impactar a vida de milhares de brasileiros que possuem esta perda de tônus muscular

do movimento de flexão do braço. O estudo, então, compromete-se a estabelecer um

exoesqueleto confiável, leve e de baixo custo, identificando os parâmetros de maior

influência em esforços mecânicos. A meta é apresentar método alternativo mais rápido

e barato para o uso deste mecanismo, com bom grau de confiabilidade, e que substitua

as opções mais dispendiosas tradicionais, utilizando para isso simulações

computacionais.

Palavras-chave: Exoesqueleto, Manufatura Aditiva, Membro Superior, Reabilitação.

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Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a parcial fulfillment of

the requirement for the degree of Mechanical Engineer.

MECHANISM FOR TOP MEMBER

MANUFACTURED BY ADDITIVE MANUFACTURE


December/2017

Advisor: Max Suell Dutra

Course: Mechanical Engineering

The project is based on the design of mechanism manufactured by inexpensive additive manufacture that assists in the movement of arm flexion, aiming to assist in the process of rehabilitation, serving as physiotherapeutic equipment accessible to the population. Such device will be optimized through structural analysis in addition to theoretical calculations, considering low-cost, popular and user-friendly interface machine, providing the computer file with the three-dimensional model to be manufactured massively by all who have access to this technology, with manufacturing cost much lower than the value charged by the exoskeletons present in the market. With the aging population, concomitantly the popularization of 3D printing due to falling prices, increased speed and accuracy, it will be possible to impact the lives of thousands of brazilians who have this loss of muscle tone of arm flexion. The study, therefore, undertakes to establish a reliable, lightweight and inexpensive exoskeleton, identifying the parameters of greatest influence on mechanical stress. The goal is to present a faster and cheaper alternative method to use this mechanism, with a good degree of reliability, and to replace the more expensive traditional options, using computational simulations. Keywords: Exoskeleton, Additive Manufacture, Arm, Rehabilitation. .

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SUMÁRIO

1. Introdução 12

1.1 Motivação 12

1.2 Objetivo 13

1.3 Contextualização 14

1.3.1 Exoesqueleto 14

1.3.2 Exoesqueleto no Brasil 17

2. Manufatura Aditiva 19

2.1. História e Desenvolvimento 19

2.2. Panorama Atual 23

2.3. Principais Técnicas de Manufatura Aditiva 23

2.3.1. Estereolitografia 23

2.3.2. Sinterização Seletiva à Laser 25

2.3.3. Fabricação por Filamento Fundido 26

2.4. Escolha da Técnica de Impressão para o projeto 27

2.5. Filamento 28

2.6. Filamento Escolhido 29

3. Fundamento Teórico 30

3.1. Estrutura Usual do Exoesqueleto 31

3.1.1. Magic Arms 32

3.1.2. Rede e-nable 33

3.2. Desenvolvimento da Concepção 34

3.2.1. Cuidados na Fabricação por FFF 34

3.2.2. Características de um projeto fabricado por FFF 36

4. Estudo do Movimento (Cinemática) 39

4.1. Graus de Liberdade 40

4.2. Ângulos Limítrofes 41

4.3. Modelo Simplificado 41

5. Projeto 43

5.1. Esforços 43

5.2. Modelagem Tridimensional 50

5.3. Manufatura Aditiva 62

6. Conclusão 64

6.1. Trabalhos Futuros 64

7. Referências Bibliográficas 65

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Primeiro exoesqueleto patenteado

Figura 2 – Hardiman

Figura 3 – Kinematic Walker Figura 4 – Exoesqueleto BLEEX da DARPA

Figura 5 – Exoesqueleto FORTIS

Figura 6 – Exoesqueleto ReWalk

Figura 7 – Exoesqueleto WREX

Figura 8 – Exoesqueleto BRA-Santos Dumont 1

Figura 9 – Chute de abertura da Copa do Mundo de 2014

Figura 10 – Reportagem sobre exoesqueleto desenvolvido no Brasil

Figura 11 – Charles Hull, inventor da Estereolitografia

Figura 12 – Scott Crump, fundador da Stratasys

Figura 13 – Gráfico do Google Trends sobre busca do termo “Impressão 3D”

no Google

Figura 14 – Impressora 3D da Reprap

Figura 15 – Formlabs, impressora de Estereolitografia

Figura 16 – Limpeza de peça recém impressa por máquina de SLS

Figura 17 – Impressora compacta Makerbot

Figura 18 – Monoprice Mini 3D Printer

Figura 19 – Stella – Impressora 3D Nacional

Figura 20 – Filamentos

Figura 21 - Magic Arms, exoesqueleto com partes impressas

Figura 22 - Melhoria na qualidade de vida através do exoesqueleto

Figura 23 - Prótese impressa inspirada no Homem de Ferro

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Figura 24 - Uma das técnicas para melhorar a aderência é o uso de cola

bastão

Figura 25 - Problema de contração da base da peça e descolamento de

camadas

Figura 26 - Influência da orientação do filamento depositado na resistência

da peça

Figura 27 - Material impresso com suporte e sua progressiva remoção

Figura 28 - Utilização de chanfro para evitar uso de suporte

Figura 29 - Ângulos superiores a 45 graus devem apresentar suporte

Figura 30 - Graus de Liberdade do Membro Superior

Figura 31 - Modelo de Esforços Simplificado

Figura 32 - Primeira Concepção do Exoesqueleto

Figura 33 - Versão Final do Exoesqueleto

Figura 34 - Versão Final sem apoio para mão

Figura 35 - Vista de Corte

Figura 36 – Ângulos máximo e mínimo

Figura 37 – Malha do Pino]

Figura 38 – Análise Estática do Pino

Figura 39 - Impressora 3D Ultimaker Original Plus

Figura 40 – Haste Impressa

Figura 41 – Software Cura

Figura 42 – Suporte e Infill

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LISTA DE TABELA

Tabela 1 – Tipos de Juntas do Membro Superior

Tabela 2 – Informação de malha de Elementos Finitos

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1. INTRODUÇÃO

1.1 Motivação

A distrofia muscular afeta muitas pessoas, as causas da perda de tônus

são variadas, trazendo grandes dificuldades motoras para estes indivíduos. Esta

disfunção independe de gênero, faixa etária e classe social, porém nos idosos há

maior incidência e com o envelhecimento gradual da população este problema se

torna cada vez mais presente.

O exoesqueleto é uma eficiente alternativa para atenuar estes sintomas,

porém a maioria dos exoesqueletos presentes no mercado tem alto custo e

grande parte da população não tem condição financeira de adquiri-lo. Neste

cenário, a fabricação deste produto por prototipagem rápida se mostra

interessante devido ao baixo custo comparado a outros métodos de fabricação,

além de permitir a personalização de acordo com as características de cada

paciente.

Devido ao baixo custo de máquinas fabricadas no Brasil como a Stella,

comercializada por volta de R$2000,00, é esperado um aumento na aquisição de

máquinas por parte da população, as pessoas terão uma impressora 3D em suas

residências, como ocorre hoje com o computador e/ou a impressora

convencional. A Manufatura Aditiva movimentará $5.2 bilhões em 2017 segundo

dados da Associação Brasileira de Distribuidores de Tecnologia de Informação

(Abradisti) e obteve crescimento de 106% em 2016, ou seja, as projeções são

animadoras para esta tecnologia.

O grande desafio é produzir um exoesqueleto barato e leve que possa ser

utilizado por todo o tipo de pessoa, independentemente de suas características

físicas, sendo necessário apenas pequenos ajustes nas dimensões do modelo

para torná-lo compatível ao corpo do usuário. O modelo tridimensional

computacional seria então disponibilizado gratuitamente em uma página da web

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que contém bibliotecas de arquivos para prototipagem rápida, com uma breve

instrução de como ajustá-lo ao usuário.

1.2 Objetivo

O objetivo principal deste projeto é produzir um exoesqueleto de baixo

custo, visando viabilizar a aquisição desta ferramenta pelas pessoas de baixa

renda que apresentem distrofia muscular, proporcionando-as maior qualidade de

vida através de um tratamento de qualidade que retarde a evolução ou até mesmo

regrida a distrofia.

Neste projeto foi desenvolvido um exoesqueleto para reabilitação de

membro superior, projetado especificamente para ser fabricado por manufatura

aditiva em máquinas de mesa (desktop), por processo de Fabricação por

Filamento Fundido (Fused Filament Fabrication – FFF), também conhecido por

Modelagem por Deposição de Filamento (Fused Modeling Deposition – FDM).

A parte majoritária do projeto foi feita com o auxílio do programa de

computador SOLIDWORKS em sua versão estudantil, presentes no LEPAC,

laboratório da UFRJ disponível para os alunos. Desde a modelagem tridimensional

e criação dos desenhos de fabricação, à otimização da estrutura através de

análise estrutural computacional, realizados no programa SOLIDWORKS, a

preparação do modelo para impressão foi feita através do programa Cura. Sendo

concluído com a análise experimental de modelo físico fabricado em impressora

de propriedade do autor deste projeto, cujo modelo é Ultimaker Original Plus, da

marca Ultimaker.

Após conclusão do estudo, o modelo tridimensional foi disponibilizado em

websites onde o usuário pode baixar o arquivo gratuitamente, fazer ajustes para

adaptar o produto às condições físicas do usuário de acordo com as instruções

presentes em um manual e então fabricá-lo em uma impressora 3D.

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1.3 Contextualização

Para compreender o projeto, é fundamental conhecer o conceito de

exoesqueleto, bem como sua história e então focar no estudo desta tecnologia em

âmbito nacional. Isto irá facilitar a absorção do processo de desenvolvimento do

mecanismo realizado.

1.3.1 Exoesqueleto

Trata-se de uma estrutura externa que auxilia e protege o corpo de um ser.

Deve ser compatível com os movimentos do usuário e proporcionar, pelo menos,

parte da energia necessária para realizá-los.

1.3.1.1 História dos Exoesqueletos

Os exoesqueletos já existem a algum tempo, a primeira patente foi feita em

1890, por Yagn (Fig. 1), trata-se de um dispositivo que aprimorava a corrida e o

salto do usuário. Outro exoesqueleto marcante na história foi o Hardiman (Fig. 2),

uma enorme máquina hidráulica que potencializava a força dos braços e pernas

do usuário. Outro exemplo que deve ser citado são os exoesqueletos criados pelo

Instituto Mihailo Pupin em Belgrado no fim dos anos 60 e início dos anos 70. A

primeira máquina criada por Miomir Vukobratovic neste instituto, o “kinematic

walker” (Fig. 3), é um dos mais documentados entre os exoesqueletos do passado.

Muitos estudos foram feitos a partir deste primeiro conceito e a tecnologia avançou

consideravelmente graças a este projeto que já utilizava atuadores e juntas

similares aos utilizados em exoesqueletos modernos.

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Atualmente os exoesqueletos têm se dividido em duas vertentes, a

potencialização e reabilitação dos movimentos. Exemplos de máquinas que

potencializam o movimento são mecanismos bélicos, como o BLEEX (Fig. 4) do

programa americano DARPA, e mecanismos que auxiliam no desempenho de

diversas atividades físicas como aumento da força, agilidade, melhora na

ergonomia, entre outros; o FORTIS (Fig. 5), é um bom exemplo disto.

Na área de reabilitação há máquinas específicas para ajudar na

recuperação de uma determinada função do usuário como o ReWalk (Fig. 6) que

ajuda pessoas com dificuldade de locomoção a se levantar, caminhar e subir

degraus, e o WREX (Fig. 7) que auxilia na movimentação dos membros superiores

de pessoas com pouco tônus muscular. Serão tratados de forma mais detalhada

os dois últimos exemplos dados.

Fig. 1 Primeiro exoesqueleto patenteado

Fig. 2 Exoesqueleto Hardiman Fig. 3 Kinematic Walker

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Fig. 4 Exoesqueleto BLEEX da DARPA

Fig. 6 Exoesqueleto ReWalk

O ReWalk possibilita a usuários, que sofreram alguma lesão na medula os

levando a perder o movimento das pernas, voltar a andar. É necessário que a

pessoa tenha controle das mãos e dos ombros para auxiliar no equilíbrio para

Fig. 5 Exoesqueleto FORTIS

Fig. 7 Exoesqueleto WREX

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realização de uma caminhada por exemplo, portanto depende do grau da lesão.

O problema deste exoesqueleto é seu alto custo que inviabiliza seu uso de forma

mais abrangente, ele acaba se tornando restrito a classes sociais mais altas, mas

a empresa responsável pelo seu desenvolvimento tem buscado parceria com

seguradores e outras prestadoras de cuidados de serviço de saúde para expandir

o número de usuários.

Desenvolvido pela empresa JAECO, o WREX (Wilmington Robotic

EXoskeleton) é uma órtese para membros superiores que auxilia na

movimentação de pessoas com deficiência neuromuscular ajudando em sua

reabilitação. Este mecanismo é bem leve, com custo relativamente baixo e com

seus elásticos ajuda nos movimentos realizados no sentido contrário a atuação da

gravidade. Além disso, o WREX vem com um sistema que possibilita ser acoplado

em grande parte dos modelos de cadeiras de rodas.

Prótese: dispositivo permanente ou transitório que substitui total ou parcialmente

um membro, órgão ou tecido. Podendo ser interna ou externa.

Órtese: dispositivo permanente ou transitório, utilizado para auxiliar as funções de

um membro, órgão ou tecido, evitando deformidades ou sua progressão e/ou

compensando insuficiências funcionais. Podendo ser interna ou externa.

1.3.1.2 Exoesqueleto no Brasil

O Brasil também tem trabalhado com exoesqueletos, entre diversas

pesquisas, artigos, teses e projetos, o BRA-Santos Dumont 1 (Fig. 8) é o trabalho

mais divulgado. A frente deste exoesqueleto está Miguel Nicolelis, seu projeto

permitiu um indivíduo com paralisia em ambas as pernas realizar o chute de

abertura da Copa do Mundo de 2014 no Maracanã (Fig. 9). Esta sofisticada

máquina recebe comandos em tempo real lendo a atividade cerebral através do

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sistema EEG (eletroencefalograma) e então possibilita o movimento das pernas

do usuário que sofreu uma lesão medular.

Fig. 8 Exoesqueleto BRA-Santos Dumont 1

Fig. 9 Chute de abertura da Copa do Mundo de 2014

A experiência de Nicolelis não é a única sendo feita no Brasil. Na UFRJ há

o LabRob, por exemplo, que realiza projetos nessa área. “Enquanto nos EUA, no

19

Japão e na Alemanha o nível de automação industrial já permite a produção de

robôs em larga escala, no Brasil a área de robótica ainda se desenvolve. Mas nem

por isso estamos atrasados quando o assunto é inovação tecnológica: empresas

e centros de pesquisa têm investido na elaboração de protótipos multifuncionais

cada vez mais avançados para realização de tarefas repetitivas e/ou de risco para

seres humanos”. Neste trecho da reportagem feita pelo jornal O Globo (Fig. 10),

conclui-se que o Brasil vem buscando inovações tecnológicas a fim de facilitar

atividades dos seres humanos.

Fig. 10 Reportagem sobre exoesqueleto desenvolvido no Brasil

2. Manufatura Aditiva

Segunda Volpato [10], técnicas de fabricação que utilizam arquivos de

computador, geralmente modelos tridimensionais gerados por programas CAD

(Computer Aided Design) e formam a peça a partir da adição de material,

normalmente pela sobreposição de camadas, são denominados de manufatura

aditiva ou impressão tridimensional, sendo usados nos processos conhecidos como

prototipagem rápida e/ou fabricação digital.

2.1 História e Desenvolvimento

Em 1984, Charles Hull (Fig. 11) inventou a estereolitografia (nome que deu

origem ao formato de arquivo .stl, também criado por ele), uma técnica da

manufatura aditiva. A máquina criada tinha como principal função produzir peças a

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partir da solidificação de resina exposta a luz. Considerado o precursor da

prototipagem rápida, este norte-americano é co-fundador da 3D Systems, uma das

maiores empresas do ramo e que deu início a esta indústria. Desde então a

impressão 3D vem crescendo e nova técnicas são criadas e aprimoradas.

Fig. 11 Charles Hull, inventor da Estereolitografia

Outro nome crucial para esta indústria é Scott Crump (Fig. 12), inventor da

técnica de Modelagem por Deposição de Filamento, FDM (Fused Deposition

Modeling), em 1988, e co-fundador da Stratasys que introduziu o primeiro

termoplástico no processo de prototipagem rápida, em 1994, e se tornou a maior

empresa do setor após fusão com a empresa Objet em 2012. A Objet havia, no

ano 2000, apresentado a primeira máquina de manufatura aditiva baseada na

tecnologia Polyjet.

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Fig. 12 Scott Crump, fundador da Stratasys

Em 2011, com a queda das patentes e consequente entrada de máquinas

mais acessíveis no mercado, houve um crescimento substancial no interesse das

pessoas por esta tecnologia. Além disso, em 2005, o projeto comunitário Reprap,

apresentou a primeira máquina de uma linha de Impressoras 3D de baixo custo e

código aberto, Fig. 14, com todas as peças disponíveis em sites de venda pela

internet possibilitando ao usuário fabricar sua própria impressora. Sua estrutura

pode ser feita com parte das peças sendo impressas em outra impressora 3D,

permitindo o usuário produzir uma segunda impressora 3D investindo menos na

compra de peças.

Além disso, a empresa disponibiliza vários tutoriais em formato de vídeo

na internet, além de ter criado fóruns de discussão sobre o tema e indiretamente,

através da comunidade colaborativa, ter contribuído para a criação da plataforma

gratuita Repetier, pela Hot-World GmBH & Co., que possibilita o posicionamento

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do arquivo .stl, geração do código G e acionamento da máquina para que a

impressão 3D ocorra.

Estes acontecimentos contribuíram para alavancar o setor, vide Fig. 13,

que desde então tem ganho espaço nas mídias e redes sociais. O aquecimento

do setor acelerou o desenvolvimento das diferentes técnicas de manufatura

aditiva, permitindo o indivíduo produzir em sua residência uma vasta gama de

produtos ao invés de comprá-los, impactando diversos setores.

Fig. 14 Impressora 3D da Reprap

Fig. 13 Gráfico do Google Trends sobre busca do termo “Impressora 3D” no Google

23

2.2 Panorama Atual

Atualmente, a manufatura aditiva apresenta diversas aplicações, sendo

encontrada, por exemplo, em peças de automóveis, aviões, aparelhos médicos,

brinquedos e peças decorativas, como dizem Gorni e Volpato ([1], [2] e [4]). Trata-

se de um conjunto de tecnologias que apresenta muitas vantagens a processos de

fabricação tradicionais quanto a pequenos lotes e protótipos.

A impressão tridimensional pode produzir peças de geometrias complexas,

com pequenas tolerâncias e utilizando cores e materiais variados. Porém apresenta

algumas limitações devido baixa velocidade de fabricação que prejudica seu uso

para produção de grandes lotes de peças.

Estas características fizeram com que a impressão tridimensional se

estabelecesse em projetos de protótipos e de produtos personalizados, fabricados

em pequena escala. Porém, com o aprimoramento das técnicas, novos setores vêm

aderindo a esta tecnologia. Ela agrada a projetistas e designers devido, dentre

outros, a modelagem tridimensional computacional em detrimento a desenhos de

fabricação bidimensionais. Estes são normalmente necessários na maioria dos

outros processos tradicionais.

2.3. Principais técnicas de manufatura aditiva

Existem diversas técnicas de manufatura aditiva. A seguir serão

apresentadas e discutidas algumas das mais importantes.

2.3.1 Estereolitografia

Também conhecida como SLA ou SL (Stereolitography Apparatus e

Stereolitography, respectivamente), utiliza um recipiente contendo fotopolímero

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líquido que é parcialmente solidificado ao ser atingido por um feixe de raios

ultravioletas. Existem algumas outras técnicas como a DLP e a CLIP que

apresentam grandes semelhanças à Estereolitografia. O raio é direcionado para

solidificar a resina, camada por camada (normalmente as camadas contém

espessura entre 0,05 à 0,15 mm), definidos através de programa de computador

formando assim gradualmente o objeto.

Há uma plataforma móvel, onde a camada solidificada se apoia, conforme

a solidificação de uma camada é concluída a base se movimenta e o feixe

ultravioleta acionado gerando uma nova camada, esta não mais apoiada à

plataforma, mas diretamente acima da camada anterior. Tal processo é repetido o

número de vezes necessário até conclusão da peça.

A Estereolitografia é caracterizada por um produto com ótimo acabamento

superficial. Devido a esta característica é muito utilizada para projetos artísticos,

para decorações, prototipagem de jóias e uma variedade de outros trabalhos de

design, além de estar ganhando espaço nas clínicas odontológicas para a

confecção de implantes. A Fig. 15 serve para ilustrar esta técnica.

Fig. 15 Formlabs, impressora de Estereolitografia

25

2.2.2 Sinterização Seletiva a Laser

Também conhecida como SLS (Selective Laser Sintering), a Sinterização a

Laser utiliza um laser de CO, por exemplo, para aglutinar a matéria-prima que se

encontra em forma de grânulos (pó), camada por camada, até a fabricação

completa do processo. Existem algumas outras técnicas como DMLS e SLM que

apresentam grande semelhança à SLS, porém sendo otimizadas para metais.

Todos esses processos são de alto custo, diferente da Estereolitografia e

Fabricação por Filamento Fundido que podem ser encontrados por preços mais

acessíveis.

As máquinas que utilizam esta tecnologia podem ser muito diferentes umas

das outras de acordo com a composição do material que utilizam. Dentre as

matérias-primas existentes há, por exemplo, o pó metálico, cerâmico e polimérico,

tais materiais geram produtos finais com características distintas, porém a técnica

empregada para sua fabricação segue o mesmo princípio.

O processo SLS produz peças de alta resistência mecânica, sendo um dos

processos mais utilizados para fabricação de produtos finais dentre as técnicas

populares de manufatura aditiva, diferentes de outros que geralmente são utilizados na

confecção de protótipos. A Fig. 16 serve para ilustrar esta técnica.

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Fig. 16 Limpeza de peça recém impressa em máquina de SLS

2.2.3 Fabricação por Filamento Fundido (FFF)

Fabricação por Filamento Fundido é a tradução de Fused Filament

Fabrication, cuja sigla é FFF, porém a sigla mais utilizada é FDM, abreviatura para

Fused Deposition Modeling (FDM), termo criado por Scott Crump que foi registrado

pela Stratasys Inc. anteriormente, por isso o termo Fused Filament Fabrication

(FFF) foi criado pelos membros da RepRap para ser utilizado sem restrições de

registro.

O FFF é uma das técnicas de fabricação por manufatura aditiva mais

utilizadas. Esta técnica se popularizou nos últimos 10 anos devido a criação de

máquinas compactas e mais simples de usar, sendo mais acessíveis para uso

doméstico e de micro e pequena empresas (Fig. 17). Tais máquinas podem utilizar

diferentes tipos de filamentos termoplásticos, com diferentes características

mecânicas. O filamento é fundido no bico extrusor e então depositado na mesa de

acordo com o código G gerado no software. Após finalizada a camada, o bico

extrusor se eleva e começa a depositar uma segunda camada, este processo é

realizado sucessivamente até a finalização da peça.

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Fig. 17 Impressora 3D compacta Makerbot

2.4 Escolha da técnica de impressão para o projeto

Como o intuito do presente projeto é viabilizar os exoesqueletos de

reabilitação para as populações de baixa renda, é necessário que a técnica

escolhida seja de baixo custo, de fácil manuseio, popular e que tenha condições de

fabricar produtos com características mecânicas necessárias para aguentar os

esforços aos quais serão submetidos.

Devido a estas necessidades, foi escolhida a técnica de fabricação por filamento

fundido - FFF. Como dito anteriormente esta técnica é a mais popular, apresenta

modelos de baixo custo como a Monoprice Mini 3D Printer (Fig. 18) que custa em torno

de $180,00 nos EUA, e o modelo nacional Stella (Fig. 19) que custa em torno de

R$2.000,00. A Stella, e muitas outras máquinas nacionais, apresentam volume de

impressão em torno de 200 milímetros de comprimento, largura e altura, medidas

suficientes para a fabricação das peças que compõem o exoesqueleto.

Além disso, o filamento pode ser encontrado na faixa de R$100,00/kg (o valor

pode variar consideravelmente dependendo do tipo de material e fornecedor), no Brasil,

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Fig. 19 Stella - Impressora 3D Nacional

e existem materiais com características que viabilizam o projeto, como será evidenciado

posteriormente.

Para embasar ainda mais a escolha da técnica, será discutido mais

profundamente suas características e o processo de impressão por FFF, em sequência.

Fig. 18 Monoprice Mini 3D Printer

2.5 Filamento

A tecnologia de impressão pelo método FFF utiliza de filamentos termoplásticos

para o deposito de material. Os tipos filamento mais utilizados no mercado são: ABS

(Acrilonitrila butadieno estireno) e PLA (Poliácido Láctico), porém existem muitos outros

como o Nylon, PET e até mesmo plásticos flexíveis, que podem ser encontrados em

diferentes cores, existindo até fluorescentes, com aparência de madeira ou cobre, por

exemplo. Eles vêm normalmente em bobinas com 1 kg de polímero (Fig. 20).

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Fig. 20 Filamentos

Filamento ABS

Acrilonitrila butadieno estireno, o ABS, é um terpolímero composto pela

combinação de acrilonitrila, butadieno e estireno. O ABS é um termoplástico

derivado do petróleo e por isso deve ser utilizado em ambientes arejados devido à

exaustão de gases durante a extrusão. O ABS é um plástico muito resistente a

esforço mecânico, mas possui um coeficiente de contração muito alto o que dificulta

muito a impressão de peças grandes, as quais tendem a se deformar (Warp), rachar

e descolar da mesa durante a impressão. A temperatura de extrusão é de 220°C em

média e a mesa deve permanecer acima da temperatura de transição vítrea, Tg, do

material durante toda a impressão para garantir a aderência da peça a mesa.

Segundo o fabricante Ultimaker, seu ABS apresenta resistência a tração de

aproximadamente 33,9 Mpa e alongamento em torno de 4,8%.

Filamento de PLA

O poliácido láctico, o PLA é um polímero do tipo poliéster. O PLA é um

termoplástico feito a partir de fontes renováveis como o milho, sendo biodegradável

e atóxico. A principal vantagem do PLA é que possui um baixo coeficiente de

30

contração ao esfriar, por isso é bem menos suscetível a empenamentos (Warp),

delaminação e descolamento da mesa, por isso é mais indicado para impressão de

peças de grande formato, além disso requer menor temperatura para ser extrusado

(190ºC) e pode inclusive ser impresso com mesa “fria” (temperatura ambiente)

sendo mais indicado por fabricantes a 60ºC, o que reduz o custo de produção da

peça em termos de economia de energia e tempo de preparo, além de ser um

processo menos suscetível a falhas.

Segundo o fabricante Ultimaker, seu PLA apresenta resistência a tração de

aproximadamente 36,3 MPa e alongamento em torno de 2,8%.

2.6 Filamento Escolhido

Como há um número razoável de máquinas de baixo custo que não possuem

mesa aquecida, com o intuito de facilitar a fabricação caseira e de forma barata do

exoesqueleto, foi optado pelo filamento PLA. Como foi informado anteriormente, ele

pode ser impresso com mesa a temperatura ambiente, além de ser atóxico,

facilitando a impressão caseira e possui características mecânicas que viabilizam o

projeto. Tais características serão expostas no Modelo Teórico, onde serão

evidenciadas as cargas que o exoesqueleto irá sofrer, mas é perceptível que sua

resistência a tração é levemente superior ao do ABS.

Vale ressaltar que peças impressas pela tecnologia FFF apresentam

anisotropia (variação das propriedades mecânicas entre planos), vide referência [6].

3. FUNDAMENTO TEÓRICO

Serão expostos fundamentos teóricos da estrutura de exoesqueletos,

bem como exemplos de produtos que serviram como inspiração para o

desenvolvimento do mecanismo em questão.

31

3.1 Estrutura Usual do Exoesqueleto

Os exoesqueletos podem ser divididos em suas partes mecânicas e

eletrônicas (alguns, como o WREX, não possuem parte eletrônica). A parte

mecânica é composta normalmente de eixos e hastes metálicas que são unidas

por elos e/ou juntas que irão definir os graus de liberdade do conjunto. Para gerar

o movimento são usados geralmente atuadores que quando acionados geram

movimento pelo deslocamento do pistão no tambor, mas o WREX por exemplo

utiliza um sistema de elásticos que armazenam energia ao serem tracionados.

A parte eletrônica pode ser dividida na captação do sinal e em sua

decodificação para, por exemplo, acionamento de um pistão. A captação do sinal

pode ser feita de diversas formas, sendo as mais usadas o método EMG e o EEG.

O sinal eletroneuromiográfico (EMG) é emitido pelos músculos antes e durante

sua contração. A eletromiografia consiste na leitura deste sinal, enviado pela

contração voluntária ou involuntária de um músculo, que é feita através de um

eletrodo. Vale frisar que a leitura pode variar de acordo com os parâmetros (tipo

de músculo, tensão muscular, profundidade de músculo, dentre outros) assim

como o eletrodo utilizado que pode ser de superfície ou agulha. O sinal de EEG

(eletroencefalograma), por sua vez, é adquirido a partir de um exame no qual são

colocados eletrodos de superfície sobre o couro cabeludo do paciente, que

analisam a atividade cerebral espontânea (o EEG pode ser feito em pacientes de

todas as idades). Esse tipo de sinal possui componentes com várias frequências.

Para algumas aplicações, é interessante separar essas faixas de frequência

utilizando filtros passa-baixa, que podem ser usados para estimar a intensidade

dos componentes de cada faixa de frequência.

Entretanto esta configuração convencional dos exoesqueletos disponíveis

no mercado os torna de alto custo, além de apresentarem peso maior que um

mecanismo feito em plástico e que não utilizem componentes eletrônicos. Vale

32

ressaltar que para acionar os atuadores são utilizados motores que além de

agregarem peso ao produto também o limitam no quesito autonomia, pois há a

necessidade de carregar a bateria que alimenta o sistema. A seguir serão

apresentados dois exemplos de dispositivos que inspiraram este projeto. Ambos

possuem uma montagem relativamente complexa, a ideia deste projeto é fazer um

exoesqueleto ainda mais simples e totalmente impresso em 3D.

3.1.1 Magic Arms

Fig. 21 Magic Arms, exoesqueleto com partes impressas

Magic Arms (Fig. 21) foi o carinhoso nome dado ao exoesqueleto de Emma

que nasceu com artrogripose múltipla congênita (AMC). A história desta menina

ficou famosa por seu exoesqueleto ter sido fabricado pelo processo de

prototipagem rápida que mudou sua vida e vem melhorando a de muitas outras

crianças com certas deficiências nos membros superiores, como se pode ver na

Fig. 22. Este exoesqueleto nada mais é do que o modelo WREX fabricado por

uma impressora 3D da marca Stratasys. A utilização da prototipagem rápida é uma

boa alternativa para exoesqueletos mais simples, pois é um processo de

fabricação barato, que produz um produto leve e altamente personalizado. Além

disso, caso no futuro, a maioria das pessoas tenha sua própria impressora 3D, a

manutenção do exoesqueleto poderá ser feita com total autonomia, casa com a

33

reposição de peças danificadas por exemplo por manufatura aditiva, além de ser

possível personalizar os componentes com desenhos e cores do gosto do cliente.

Fig. 22 Melhoria na qualidade de vida através do exoesqueleto

3.1.2 Rede e-NABLE

A e-NABLE é uma rede de pessoas de diferentes áreas que se juntam para

contribuir, de alguma forma, com a produção e com o desenvolvimento de

próteses infantis feitas por impressoras 3D. No site da e-NABLE é possível baixar

os arquivos para fabricação, além de vídeos que ensinam a montar o mecanismo

de forma gratuita.

Este é apenas mais um exemplo de muitas iniciativas que utilizam o potencial da

impressora 3D para ajudar pessoas que não teriam condições de adquirir produtos

produzidos da forma convencional. Além disso, com a impressora 3D são produzidos

exoesqueletos mais leves, de fácil manutenção e personalizáveis. Muitas crianças, por

exemplo, recebem próteses inspiradas em super-heróis, como a prótese que Alex Pring

ganhou das mãos de Robert Downey Jr., inspirada no homem de ferro (Fig. 23).

34

Fig. 23 Prótese impressa inspirada no Homem de Ferro

3.2. Desenvolvimento da concepção

Para desenvolver um mecanismo cujo produto final será fabricado por FFF, é

necessário ter certos cuidados devido as peculiaridades desta tecnologia, isto será

explorado a seguir.

3.2.1 Cuidados na fabricação por FFF

Para obter uma boa impressão são necessários alguns cuidados com a

máquina. Antes de imprimir, é necessário limpar a base da impressora. Após isso, é

importante checar a calibração do bico extrusor com a mesa, caso a distância entre

os mesmos seja muito pequena, impedindo o filamento de sair do bico, ou maior que

0,3 mm, haverá problemas na impressão. Esta distância é usualmente ajustada por

parafusos presentes na parte inferior da mesa, responsáveis por seu

posicionamento, porém há máquinas onde esta calibração é automática. Uma boa

calibração é fundamental para boa aderência das primeiras camadas e nivelamento

da peça que será impressa.

35

Em alguns casos, para ajudar na aderência, após limpeza da máquina é

utilizado um spray fixador, cola bastão (Fig. 24) ou fita adesiva, por exemplo, para

garantir a aderência. Além disso, nas impressoras que contém mesa aquecida, é

possível ajustar através do software a temperatura da mesa para ajudar na adesão.

No caso do PLA, o recomendado é que a mesa esteja a 60°C, e para o ABS a

temperatura deve estar em torno de 90°C.

Fig. 24 Uma das técnicas para melhorar a aderência é o uso de cola bastão

Outro fator importante são as condições do ambiente como temperatura,

umidade e deslocamento de ar. As máquinas mais robustas que apresentam um

encapsulamento do volume de impressão reduzem os problemas com o ambiente,

pois há um ambiente interno controlado, porém as impressoras de baixo custo, na

maioria dos casos, possuem aberturas laterais que levam a peça a contato direto

com o ambiente.

Fig. 25 Problema de contração da base da peça e descolamento de camadas

36

Em temperatura ambiente, há uma abrupta variação de temperatura do

polímero que sai do bico extrusor com temperatura superior a 180°C, com isso ela

pode se contrair levando ao empenamento da peça. A alta umidade também pode

ser absorvida pelo polímero que ao passar pelo bico extrusor pode o entupir, pois

ao absorver a água terá um aumento de seu diâmetro, outro problema que a

absorção de umidade gera é tornar o filamento quebradiço, podendo se partir no

caminho da bobina ao bico extrusor, com isso a impressão pode ser perdida. Além

disso, haverá alterações das propriedades mecânicas da peça, podendo surgir

bolhas que prejudiquem a estética e acabamento superficial da peça além da

ligação entre camadas depositadas. Correntes de ar também devem ser evitadas,

pois estas irão resfriar ainda mais a peça podendo gerar empenamento e

descolamento de camadas. Portanto ambientes abertos ou uso de ventiladores ou

ar condicionados que direcionem vento à máquina devem ser evitados, pois

dificulta a aderência do material na mesa, aumenta a contração da peça e dificulta

a adesão das camadas, como vemos na figura 25.

3.2.2 Características de um projeto fabricado por FFF

A fabricação por impressão 3D tem certas peculiaridades. Serão abordados

alguns fatores a serem considerados para peça impressa pela técnica de FFF que

será a utilizada neste projeto.

Estudos mostram que a resistência mecânica na direção do filamento

depositado é superior à entre camadas, isto ocorre, pois, as ligações ao longo do

polímero depositado são mais fortes que a ligação entre camadas, de acordo com

[6]. Com isto em mente, ao projetar uma peça, é necessário analisar a direção dos

esforços aos quais a peça será submetida para então decidir como a peça deve ser

apoiada na mesa virtual que irá definir a orientação das camadas em sua fabricação

(Fig. 26). Há estudos e fichas técnicas de filamentos que apresentam as

37

propriedades mecânicas das peças e seus correspondentes materiais, presentes em

anexo.

Fig. 26 Influência da orientação do filamento depositado na resistência da peça

Outro fator a ser considerado no posicionamento da peça são as partes

que apresentam ângulos superiores a 45° com a mesa de impressão. Dependendo

da geometria da peça e como ela é posicionada na mesa podem existir partes

suspensas ou com ângulos muito agudos que precisam de suporte para dar

sustentação e viabilizar impressão. Normalmente as impressoras conseguem

bons resultados para ângulos de até 45° de partes do objeto impresso com o eixo

vertical da mesa, ângulos acima deste devem apresentar suporte ou haverá

grande risco desta parte não permanecer no posicionamento esperado devido à

falta de sustentação, Fig. 29. Entretanto, é recomendável evitar a uso de suporte

nas máquinas que utilizam o mesmo filamento para fabricação da peça e do

suporte, pois após o término da impressão é necessário retirar o suporte de forma

manual ou com auxílio de alguma ferramenta, mas o acabamento superficial será

comprometido e o tempo gasto em pós processamento pode ser elevado, Fig. 27.

38

Para evitar o suporte é possível alterar o posicionamento da peça na mesa ou

alterar a geometria, criando chanfros ou filetes que suavizem o ângulo, Fig. 28.

Fig. 27 Material impresso com suporte e sua progressiva remoção

Fig. 28 Utilização de chanfro para evitar uso de suporte

39

Cantos vivos também devem ser evitados, pois são pontos críticos para

descolamento, além de levar o bico a mudanças bruscas de direção que podem

aumentar a vibração piorando a tolerância dimensional. Devido a contração da peça,

há variações consideráveis nas dimensões da peça, portanto, deve haver uma folga

entre um eixo e um furo, por exemplo, em torno de 0.5 mm para garantir o

acoplamento. Caso o bico esteja muito próximo da mesa este problema pode ser

ainda mais grave na primeira camada, pois o bico irá pressionar a camada conforme

for depositando material, levando a um aumento do diâmetro do eixo e diminuição

do diâmetro do furo.

4. Estudo do Movimento (Cinemática)

Neste capítulo serão abordados os graus de liberdade do membro superior

do ser humano, assim como seus ângulos de máximo e mínimo que restringem o

movimento, além de tratar das dimensões e peso do braço e antebraço para

podermos definir então tamanhos padrão para facilitar o desenvolvimento do

exoesqueleto para diferentes anatomias.

Fig. 29 Ângulos superiores a 45 graus devem apresentar suporte.

40

4.1 Graus de Liberdade

Na Tabela 1 e figura 30 a seguir, é evidenciado que o membro superior

humano possui em sua totalidade 7 graus de liberdade. Tratando o ombro, cotovelo

e pulso como juntas, temos que o ombro e o pulso são juntas esféricas, ou seja, com

3 graus de liberdade cada, e o cotovelo é uma junta rotacional com um grau de

liberdade.

Tabela 1 Tipos de Junta do Membro Superior

Fig. 30 Graus de Liberdade do Membro Superior

O exoesqueleto projetado tem o intuito de auxiliar o movimento de flexão do

braço, ou seja, auxiliar o movimento rotacional do cotovelo. Portanto, não serão

abordados os movimentos do ombro, pois eles não afetarão o funcionamento do

exoesqueleto. O pulso, entretanto, compromete o projeto pois sua rotação gera uma

torção no antebraço onde uma das hastes do exoesqueleto estará fixada por velcros.

41

Com isso, o movimento do pulso será restringido pelo exoesqueleto, passando a ter

apenas 2 graus de liberdade.

Ainda há no projeto, como é exposto posteriormente, um suporte para o pulso,

acoplável ao exoesqueleto para auxílio de pessoas com dificuldade de conduzir um

talher do prato a boca, por exemplo, porém, este aparato tem como consequência a

restrição dos movimentos do pulso. Entretanto, a perda deste movimento em

detrimento do ganho da firmeza na realização de tarefas como levar o talher com

alimento do prato à boca, trará um ganho superior a perda inerente a barreira física

formada.

4.2 Ângulos Limítrofes

Segundo Marques [7], o ângulo de flexão do cotovelo do ser humano varia em

média de 0° à 145°. Além desta angulação, o movimento radioulnar (um dos

movimentos do pulso que gera uma torção no antebraço) tem uma amplitude angular

de -90° a 90° (supinação e pronação), este movimento é restringido pelo exoesqueleto.

4.3 Modelo Simplificado

Para estudar a dinâmica do movimento, vide [9], será simplificado o modelo

para o caso de uma barra com um ponto de apoio numa extremidade e uma

resistência sendo aplicada na extremidade oposta. Sendo necessário aplicar uma

força suficiente para superar a resistência possibilitando a flexão do braço.

Fig. 31 Modelo de Esforços Simplificado

42

Com isso, o objetivo deste mecanismo é, com a tensão gerada nos

elásticos ao posicionar o braço no ângulo 0°, auxiliar o movimento de flexão do

braço devido a anulação do efeito da gravidade na massa do braço na posição

inicial. A força gerada pelos músculos do braço será usada exclusivamente para

superar a resistência na extremidade do braço ao carregar uma massa, pois o

peso do próprio braço será anulado pelos elásticos na posição de repouso.

Para base de cálculo temos que o comprimento médio do antebraço do

ser humano é de 275 mm. A distância da inserção braquial até o cotovelo varia

de acordo com o ângulo de flexão do braço, é na inserção braquial que devemos

concentrar a força que o corpo irá exercer para flexionar o braço, este ponto

também é chamado de linha de ação. Quando o braço de encontra a 0°, para

uma mesma força de contração muscular, o bíceps produz o torque mínimo pois

a linha de ação do músculo está o mais próximo possível do centro de articulação

(cotovelo).

Portanto, é possível concluir que quanto mais afastado do cotovelo

colocarmos nossos pontos de fixação dos elásticos o torque gerado será maior

e consequentemente sua contribuição para auxiliar a flexão, porém, por questões

visuais, será posicionado de forma a tornar discretos os elásticos, devido ao

interesse maior de melhoria na qualidade de vida do usuário.

Além disso, o peso médio de um brasileiro adulto é de 69,4 kg e 10 a 12%

de seu peso é referente aos seus membros superiores. Por motivos de segurança,

será considerado que o exoesqueleto deva anular o peso de todo o braço, o que

de fato não irá ocorrer pois o peso a anular é apenas de seu antebraço e mão, além

disso, de forma conservadora, é proposto utilizar 6% do peso de um indivíduo com

80 kg para contemplar com o mesmo mecanismo uma porção maior da população

e com maior confiabilidade.

43

5. Projeto A seguir serão expostos a memória de cálculo, vitais para otimizar o

mecanismo e garantir um grau razoável de confiabilidade.

5.1 Esforços

Com base nos dados apresentados nos capítulos anteriores, realizou-se o

diagrama de esforços da concepção do exoesqueleto, onde a força peso do

antebraço será anulada pela força do elástico estendido, de acordo com [8].

São ignorados quaisquer esforços externos, sendo considerada apenas a

força empregada pelo elástico e as reações na junta e região fixada pelo velcro.

Tais dados serão utilizados para otimizar as dimensões do exoesqueleto e garantir

alto coeficiente de segurança, prevenindo acidentes e aumentando a vida útil do

mecanismo.

Cálculo das reações de apoio:

𝐹𝑥: 𝐻𝐵 − 𝐹 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 0 (1)

𝐹𝑦: 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 − 𝑉𝐴 − 𝑉𝐵 = 0 (2)

𝑀𝑧 𝐴 = 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 ∙ 𝐿1 − 𝑉𝐵 ∙ 𝐿2 = 0 (3)

Resolvendo a equação (1) para 𝐻𝐵, obtemos:

𝐻𝐵 = 𝐹 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃

Resolvendo a equação (3) para 𝑉𝐵, obtemos:

𝑉𝐵 =𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 ∙ 𝐿1

𝐿2

Substituindo o valor encontrado anteriormente para 𝑉𝐵 na equação (2),

encontramos que 𝑉𝐴 vale:

𝑉𝐴 = 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 − 𝑉𝐵 = 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 ∙ 𝐿1

𝐿2= 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 (1 −

𝐿1

𝐿2)

Cálculo dos esforços cortantes:

44

Para 𝑥 < 𝐿1:

𝑉𝑥 = 𝑉𝐴 = 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 (1 −𝐿1

𝐿2)

Para 𝐿1 < 𝑥 < 𝐿2:

𝑉𝑥 = 𝑉𝐴 − 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 (1 −𝐿1

𝐿2) − 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 = −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 ∙

𝐿1

𝐿2

Diagrama do esforço cortante:

45

Calculo do momento fletor: Para 𝑥 < 𝐿1:

𝑀𝑥 = −𝑉𝐴 ∙ 𝑥 = −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 (1 −𝐿1

𝐿2) ∙ 𝑥

Em 𝑥 = 𝐿1, temos:

𝑀𝑥(𝑥 = 𝐿1) = − 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 ∙ 𝐿1 (1 −𝐿1

𝐿2)


𝑀𝑥 = −𝑉𝐴 ∙ 𝑥 + 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 ∙ (𝑥 − 𝐿1) = −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 (1 −𝐿1

𝐿2) ∙ 𝑥 + 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 ∙ (𝑥 − 𝐿1)

𝑀𝑥 = −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 ∙ 𝐿1 (1 −𝑥

𝐿2)


𝑀𝑥(𝑥 = 𝐿1) = − 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 ∙ 𝐿1 (1 −𝐿1

𝐿2)

Resultado igual ao esperado. Diagrama do momento fletor:

46

Cálculo das reações de apoio: 𝐹𝑦: 𝑉𝐷 − 𝑉𝐴 − 𝐹 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛼 = 0 (4)

𝐹𝑦: 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 − 𝐻𝐶 − 𝐻𝐷 = 0 (5)

𝑀𝑧 𝐶: 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 ∙ 𝐿4 − 𝐻𝐷 ∙ 𝐿5 = 0 (6) Resolvendo a equação (4) para 𝑉𝐷, obtemos:

𝑉𝐷 = 𝐹 ∙ (𝑠𝑒𝑛𝜃 (1 −𝐿1

𝐿2) + 𝑐𝑜𝑠𝛼)

Resolvendo a equação (6) para 𝐻𝐷, obtemos:

𝐻𝐷 =𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 ∙ 𝐿4

𝐿5

Substituindo o valor encontrado anteriormente para 𝐻𝐷 na

equação (2), encontramos que 𝐻𝐶 vale:

𝐻𝐶 = 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 − 𝐻𝐷 = 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 ∙ 𝐿4

𝐿5

= 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 (1 −𝐿4

𝐿5)

Cálculo dos esforços cortantes: Para 𝐿3 < 𝑦 < 0:

𝐻𝑦 = 0

Para 0 < 𝑦 < 𝐿4:

47

𝐻𝑦 = 𝐻𝐶 = 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 (1 −𝐿4

𝐿5)

Para 𝐿4 < 𝑦 < 𝐿5:

𝐻𝑦 = 𝐻𝐶 − 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 = −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 ∙𝐿4

𝐿5


Calculo do momento fletor: Para 𝐿3 < 𝑦 < 0:

𝑀𝑦 = 0

48

Para 0 < 𝑦 < 𝐿4:

𝑀𝑦 = −𝐻𝐶 ∙ 𝑦 = −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 (1 −𝐿4

𝐿5) ∙ 𝑦


𝑀𝑦 = −𝐻𝐶 ∙ 𝑦 + 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 ∙ (𝑦 − 𝐿4) = −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 (1 −𝐿4

𝐿5) ∙ 𝑦 + 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 ∙ (𝑦 − 𝐿4)

𝑀𝑦 = −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 ∙ 𝐿4 (1 −𝑦

𝐿5)

Diagrama do momento fletor:

49

Análise do pino: Cálculo das reações de apoio:

𝐹𝑦: 𝐹 − 𝑉0 = 0 (7)

𝑀𝑧 𝑜: 𝐹 ∙ 𝐿 − 𝑀𝑜 = 0 (8) De (7) temos:

𝑉0 = 𝐹 De (8) temos:

𝑀𝑜 = 𝐹 ∙ 𝐿

Cálculo do esforço cortante:

𝑉𝑥 = 𝑉𝑜 = 𝐹


50

Cálculo do momento fletor: 𝑀𝑥 = 𝑀𝑜 − 𝑉𝑜 ∙ 𝑥 = 𝐹 ∙ (𝐿 − 𝑥)


5.2 Modelagem Tridimensional

A partir dos gráficos e conhecendo o limite de escoamento do material, foi

modelado o exoesqueleto priorizando o design do produto frente a perdas

mecânicas desde que o mesmo tenha coeficiente de segurança razoável.

Desta forma, temos a primeira concepção (Fig. 32):

Fig. 32 Primeira Concepção do Mecanismo

51

Porém, após análise, concluiu-se que haveria sobreposição dos elásticos,

o movimento teria seu ângulo máximo limitado, o encaixe entre as hastes era

mais frágil, de duas pontas, o exoesqueleto estava fixado ao braço por apenas

duas tiras de velcro e a estrutura, próxima a junta não apresentava reforço. Além

das melhorias adotadas frente aos problemas da primeira concepção expostos

acima, foi introduzido uma configuração que permite a introdução de um apoio

para a mão do usuário para auxiliar na sustentação do mesmo para realização

de determinadas atividades.

Com isso, temos a concepção final, com e sem o apoio para a mão

(Figuras 33 e 34):

Fig. 33 Versão Final do Mecanismo

52

Fig. 34 Versão Final sem Apoio para Mão

Os pinos onde assentam os elásticos e a junta são roscadas e o apoio é

fixado pelo velcro. A vista de corte a seguir facilita a compreensão (Fig. 35):

Fig. 35 Vista de Corte

Os ângulos mínimo e máximo do movimento de flexão também foram

respeitados (Fig. 36):

Fig. 36 Ângulos Máximo e Mínimo

53

Os desenhos de fabricação de todas as peças que compõem o

exoesqueleto seguem em anexo. Foi realizada uma análise estrutural

computadorizada utilizando o software SOLIDWORKS, para garantir que os

pinos suportariam a força que o elástico aplicaria no mesmo. De forma

conservadora, foi assumido que o somatório de forças exercida pelos elásticos

nos pinos é equivalente ao peso do braço de uma pessoa de 80kg, ou seja,

4,8kg. Também foi assumido que os pinos sofreriam o mesmo esforço, 1/3 do

peso, logo foi realizado o estudo com 16N de força. Foram considerados fixos os

valores da base e da área cilíndrica que contém a rosca.

A análise então gerou um relatório presente em anexo com os seguintes

dados (Tabela 2, Fig. 37, 38):

Tabela 2 Informação da Malha de Elementos Finitos

Tipo de malha Malha sólida

Gerador de malhas usado: Malha padrão

Transição automática: Desativada

Incluir loops de malha automáticos: Desativada

Pontos Jacobianos 4 Pontos

Tamanho do elemento 1.46296 mm

Tolerância 0.0731479 mm

Qualidade da malha Alta

Total de nós 10574

Total de elementos 6985

Fig. 37 Malha do Pino

54

Nome Tipo Mín. Máx.

Tensão1 VON: tensão de von Mises

1.2493 N/m^2 Nó: 204

8.33826e+006 N/m^2 Nó: 23

PINO ELASTICO-Análise estática 1-Tensão-Tensão1

Fig. 38 Análise Estática do Pino

Segundo a análise, a tensão máxima de Von Mises é de 8,34 Mpa, muito

inferior aos 36,3 Mpa suportados pelo material PLA. Com coeficiente de

segurança de 4,35.

Da mesma forma, ao substituir os valores de F nos cálculos anteriores

assumindo um ângulo correspondente a situação de 90°temos:


𝐹 = 48 𝑁

𝐿1 = 0,065 𝑚 𝐿2 = 0,1475 𝑚 𝜃 = 62,53°

55

𝐻𝐵 = 𝐹 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 48 ∙ cos(62,53) = 22,14 𝑁

𝑉𝐵 =𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 ∙ 𝐿1

𝐿2= 18,77 𝑁

𝑉𝐴 = 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 − 𝑉𝐵 = 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 ∙ 𝐿1

𝐿2= 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 (1 −

𝐿1

𝐿2) = 23,82 𝑁

Cálculo dos esforços cortantes: Para 𝑥 < 𝐿1:

𝑉𝑥 = 𝑉𝐴 = 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 (1 −𝐿1

𝐿2) = 23,82 𝑁


𝑉𝑥 = 𝑉𝐴 − 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 (1 −𝐿1

𝐿2) − 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 = −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 ∙

𝐿1

𝐿2= −18,77 𝑁


56

Calculo do momento fletor: Para 𝑥 < 𝐿1:

𝑀𝑥 = −𝑉𝐴 ∙ 𝑥 = −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 (1 −𝐿1

𝐿2) ∙ 𝑥 = −23,82𝑥


𝑀𝑥(𝑥 = 𝐿1) = − 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 ∙ 𝐿1 (1 −𝐿1

𝐿2) = 1,548 𝑁. 𝑚


57


𝑀𝑥(𝑥 = 𝐿1) = − 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃 ∙ 𝐿1 (1 −𝐿1

𝐿2) = −1,548 𝑁. 𝑚



58

𝛼 = 27,47° 𝐿3 = −0,075 𝑚 𝐿4 = 0,05 𝑚

𝐿5 = 0,0925 𝑚

𝑉𝐷 = 𝐹 ∙ (𝑠𝑒𝑛𝜃 (1 −𝐿1

𝐿2) + 𝑐𝑜𝑠𝛼) = 66,42 𝑁

𝐻𝐷 =𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 ∙ 𝐿4

𝐿5= 11,97 𝑁

𝐻𝐶 = 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 − 𝐻𝐷 = 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 ∙ 𝐿4

𝐿5

= 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 (1 −𝐿4

𝐿5) = 10,17 𝑁

Cálculo dos esforços cortantes: Para 𝐿3 < 𝑦 < 0:

𝐻𝑦 = 0

Para 0 < 𝑦 < 𝐿4:

𝐻𝑦 = 𝐻𝐶 = 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 (1 −𝐿4

𝐿5) = 10,17 𝑁


59

𝐻𝑦 = 𝐻𝐶 − 𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 = −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 ∙𝐿4

𝐿5= −11,97 𝑁


Calculo do momento fletor: Para 𝐿3 < 𝑦 < 0:

𝑀𝑦 = 0

Para 0 < 𝑦 < 𝐿4:

60

𝑀𝑦 = −𝐻𝐶 ∙ 𝑦 = −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 (1 −𝐿4

𝐿5) ∙ 𝑦 = −10,17𝑦


𝑀𝑦 = −𝐹 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 ∙ 𝐿4 (1 −𝑦

𝐿5) = −1,107 (1 −

𝑦

0,0925)


Análise do pino: Cálculo das reações de apoio:

61

𝐹 = 16 𝑁

𝐿 = 0,0115 𝑚

𝑉0 = 𝐹 = 16 𝑁

𝑀𝑜 = 𝐹 ∙ 𝐿 = 0,184 𝑁. 𝑚 Cálculo do esforço cortante:

𝑉𝑥 = 𝑉𝑜 = 𝐹 = 16 𝑁


Cálculo do momento fletor:

𝑀𝑥 = 𝑀𝑜 − 𝑉𝑜 ∙ 𝑥 = 𝐹 ∙ (𝐿 − 𝑥) 𝑀𝑥 = 𝐹 ∙ (𝐿 − 𝑥) = 16(0,0115 − 𝑥)


62

A maior força de reação é a vertical em D, com 66,42 N, porém tal valor ainda

está dentro do que o material resiste. Portanto pelos cálculos e análise estrutural

podem os assumir que o mecanismo irá resistir aos esforços empregados.

5.3 Manufatura Aditiva

Segue as imagens do processo de impressão tridimensional realizado na

máquina Ultimaker Original Plus (Fig. 39), utilizando o filamento PLA na cor cinza e

amarelo para toda a estrutura (Fig. 40).

Fig. 39 Impressora 3D Ultimaker Original Plus

63

Fig. 40 Haste Impressa

Foi utilizado o software gratuito Cura (Fig. 41) e os únicos parâmetros

alterados foram o infill (preenchimento interno) para 70% e a utilização de suporte

que variou de acordo com cada peça (Fig. 42). As camadas têm altura de 0.1 mm.

Fig. 41 Programa Cura

Fig. 42 Suporte e Infill

64

6 Conclusão

O exoesqueleto projetado neste trabalho apresenta características

mecânicas que possibilitam seu uso de forma segura, garantida através de cálculos,

analise estrutural computadorizada e teste experimental. Além das características

mecânicas, foram respeitadas as questões ergométricas e estéticas do projeto

priorizando a experiência do usuário. As peças possuem custo inferior aos

exoesqueletos comerciais além de serem leves, personalizáveis e dar ao usuário

total autonomia para repor peças com defeito. Isto contribuirá para a recuperação de

usuários com pouco tônus muscular, servir como um mecanismo de reabilitação para

atividades como carregar sacolas de compras, escovar os dentes, levar a comida do

prato à boca. Para popularizar o uso do mecanismo, o mesmo será disponibilizado

gratuitamente nas plataformas de arquivos de modelos 3D mais populares como a

Thingiverse, GrabCAD e MyMiniFactory.

Por fim, é esperado que o projeto provoque bem-estar às pessoas,

impactando suas vidas e servindo como referência para o desenvolvimento de outros

mecanismos, pela comunidade acadêmica, prezando pela experiência das pessoas.

6.1 Trabalhos Futuros

A proposta é estudar a incorporação de componentes eletrônicos e atuadores

pneumáticos de baixo custo que tornem o movimento ainda mais natural e possa

auxiliar pessoas com deficiências mais severas. Outra linha de pesquisa é criar um

mecanismo de mesma finalidade, porém sem anular nenhum grau de liberdade do

usuário e/ou auxiliar em outros movimentos como o de adução dos membros

superiores ou tratar de problemas em outras partes do corpo como membros

inferiores. É preciso ainda otimizar mais o protótipo, facilitando o acoplamento dos

pinos na estrutura do braço e antebraço e permitindo a edição do usuário final para,

por exemplo, colocar um texto com informações pessoais em uma das hastes.

65

7. Referências Bibliográficas

[1] Gorni, A. A., Prototipagem rápida, a revolução 3D, Revista Corte & Conformação de Metais – Novembro de 2013 [2] Gorni, A. A. Introdução à Prototipagem Rápida e Seus Processos. Plástico Industrial, Março 2001, 230-239. [3] Huang, S. H. e outros. Additive Manufacturing and its Societal Impact: A Literature Review. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, July 2013, 1191-1203. [4] Volpato, N., et al, 2007, Prototipagem Rápida – Tecnologias e Aplicações. 1 ed. São Paulo, Edgard Blucher. [5] Cláudio Sampaio, GUIA MAKER DA IMPRESSÃO 3D TEORIA E PRÁTICA CONSOLIDADAS, http://www.makerlinux.com.br/ebook/ [6] Ahn, S. H., Montero, M., Odell, D., Roundy, S., & Wright, P. K. (2002). Anisotropic material properties of fused deposition modeling ABS. Rapid prototyping journal, 8(4), 248-257. [7] Marques AP. Angulos articulares dos membros superiores. In: Manual da Goniometria. 2 ed. São Paulo: Manole; 2003 [8] SHIGLEY, J. E., Elementos de Máquinas, Vol. 2, 3ed., LTC, Rio de Janeiro, 1984. [9] Tenenbaum, R. A., Dinâmica Aplicada, 3ed, Manole, Rio de Janeiro, 2006. [10] Neri Volpato (Organizador), Manufatura Aditiva: Tecnologias e Aplicações da Impressão 3D, 1ed, Blucher, São Paulo, 2017.

http://www.makerlinux.com.br/ebook/

Technical data sheet PLA

Chemical Name

Description

Key features

Applications

Non suitable for

Polylactic acid

Ultimaker PLA filament provides a no-hassle 3D printing experience thanks to its reliability and good surface quality. Our PLA is made from organic and renewable sources. It’s safe, easy to print with and it serves a wide range of applications for both novice and advanced users.

Good tensile strength and surface quality, easy to work with at high print speeds, user-friendly for both home and office environments, PLA allows the creation of high-resolution parts. There is a wide range of color options available.

Household tools, toys, educational projects, show objects, prototyping, architectural models, as well as lost casting methods to create metal parts.

Food contact and in-vivo applications. Long term outdoor usage or applications where the printed part is exposed to temperatures higher than 50 ˚C.

Diameter

Max roundness deviation

Net filament weight

2.85±0.10 mm

0.10 mm

750 g

-

-

-

PLA Green PLA BlackPLA Silver MetallicPLA White PLA Transparent PLA Orange PLA BluePLA Magenta PLA Red PLA Yellow PLA Pearl White

RAL 6018RAL 9005RAL 9006RAL 9010n/aRAL 2008RAL 5002RAL 4010RAL 3020RAL 1003RAL 1013

Filament specifications Value Method

Color Color codeColor information

Technical data sheet — Ultimaker PLA Page. 1

Tensile modulus

Tensile stress at yield

Tensile stress at break

Elongation at yield

Elongation at break

Flexural strength

Flexural modulus

Izod impact strength, notched (at 23˚C)

Charpy impact strength (at 23˚C)

Hardness

Melt mass-flow rate (MFR) Heat deflection (HDT) at 0.455 MPa

Heat deflection (HDT) at 1.82 MPa

Glass transition

Coefficient of thermal expansion (flow)

Coefficient of thermal expansion (xflow)

Melting temperature

Thermal shrinkage

Specific gravity

Flame classification

6.09 g/10min

-

-

60-65 ˚C

-

-

145-160 ˚C

-

1.24

-

ISO 1133 (210 ˚C, 2.16 kg)

-

-

ISO 11357

-

-

ISO 11357

-

ASTM D1505

-

Thermal properties

Mechanical properties (*)

Other properties

Typical value

Typical value

Test method

Test method


(*) See notes.

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

2852 MPa

38.08 MPa

36.28 MPa

2.10 %

2.84 %

65.7 MPa

2409 MPa

-

13.1 kJ/m2

-

ISO 527 (1 mm/min)

ISO 527 (50 mm/min)

ISO 527 (50 mm/min)

ISO 527 (50 mm/min)

ISO 527 (50 mm/min)

ISO 178

ISO 178

-

ISO 179

-

Injection molding 3D printing

Typical value Typical valueTest method Test method

Notes

Disclaimer

Properties reported here are average of a typical batch. The 3D printed tensile bars and Charpy impact bars were printed in the XY plane, using an UM2+, a 0.4 mm nozzle, 100% infill, 210 ˚C nozzle temperature, 60 ˚C build plate temperature, 2 shells, layer height of 0.1 mm and all print speeds at 40 mm/s. Ultimaker is constantly working on extending the TDS data.

Any technical information or assistance provided herein is given and accepted at your risk, and neither the Ultimaker or its affiliates make any warranty relating to it or because of it. Neither Ultimaker nor its affiliates shall be responsible for the use of this information, or of any product, method or apparatus mentioned, and you must make your own determi-nation of its suitability and completeness of your own use, for the protection of the environment, and for the health and safety of your employees and purchasers of your products. No warranty is made of the merchantability or fitness of any product; and nothing herein waives any of Ultimaker’s conditions of sale. Specifications are subject to change without notice.


VersionDate

Version 3.003

19/10/2016

Technical data sheet ABS

Chemical Name

Description

Key features

Applications

Non suitable for

Acrylonitrile butadiene styrene

Used by an array of industries worldwide, ABS is known for its exceptional mechanical properties. Our ABS is specifically formulated to minimize warping and ensure consistent interlayer adhesion.

Excellent mechanical properties and interlayer adhesion (especially when using the front door add-on), nice aesthetics, minimal warping and reliable bed adhesion.

Visual and functional prototyping and short run manufacturing.

Food contact and in-vivo applications. Long term UV exposure can negatively affect properties of an ABS print. Applications where the printed part is exposed to temperatures higher than 85 ˚C.

Diameter

Max roundness deviation

Net filament weight

2.85±0.10 mm

0.10 mm

750 g

-

-

-

ABS BlackABS WhiteABS RedABS BlueABS SilverABS Pearl GoldABS GreenABS OrangeABS YellowABS Gray

RAL 9017RAL 9003 RAL 3020RAL 5002RAL 9006RAL 1036RAL 6018RAL 2008RAL 1023RAL 7011

Filament specifications Value Method

Color Color codeColor information

Technical data sheet — Ultimaker ABS Page. 1

Tensile modulus

Tensile stress at yield

Tensile stress at break

Elongation at yield

Elongation at break

Flexural strength

Flexural modulus

Izod impact strength, notched (at 23˚C)

Charpy impact strength (at 23˚C)

Hardness

Melt mass-flow rate (MFR) Heat deflection (HDT) at 0.455 MPa

Heat deflection (HDT) at 1.82 MPa

Glass transition

Coefficient of thermal expansion (flow)

Coefficient of thermal expansion (xflow)

Melting temperature

Thermal shrinkage

Specific gravity

Flame classification

41 g/10 min

-

-

97 ˚C

-

-

225-245 ˚C

-

1.10

-

ISO 1133 (260 ˚C, 5 kg)

-

-

ISO 306

-

-

ISO 294

-

ISO 1183

-

Thermal properties

Mechanical properties (*)

Other properties

Typical value

Typical value

Test method

Test method


(*) See notes.

2030 MPa

43.6 MPa

-

4.8 %

34 %

-

-

-

58 kJ/m2

97 (Shore A)

1681 MPa

39 MPa

33.9 MPa

3.5 %

4.8 %

-

-

-

-

-

ISO 527 (1 mm/min)

ISO 527(50 mm/min)

-

ISO 527(50 mm/min)

ISO 527(50 mm/min)

-

-

-

ISO 179

-

ISO 527 (1 mm/min)

ISO 527 (50 mm/min)

ISO 527(50 mm/min)

ISO 527(50 mm/min)

ISO 527(50 mm/min)

-

-

-

-

-

Injection molding 3D printing

Typical value Typical valueTest method Test method

Notes

Disclaimer

Properties reported here are average of a typical batch. The 3D printed tensile bars were printed in the XY plane, using the normal quality profile in Cura 2.1, an UM2+, a 0.4 mm nozzle, 90% infill, 250 ˚C nozzle temperature and 80 ˚C build plate temperature. The values are the average of 5 white and 5 black tensile bars. Ultimaker is constantly working on extending the TDS data.

Any technical information or assistance provided herein is given and accepted at your risk, and neither the Ultimaker or its affiliates make any warranty relating to it or because of it. Neither Ultimaker nor its affiliates shall be responsible for the use of this information, or of any product, method or apparatus mentioned, and you must make your own determi-nation of its suitability and completeness of your own use, for the protection of the environment, and for the health and safety of your employees and purchasers of your products. No warranty is made of the merchantability or fitness of any product; and nothing herein waives any of Ultimaker’s conditions of sale. Specifications are subject to change without notice.


VersionDate

Version 3.003

19/10/2016

AA

1

25

3

6

ESCALA 1 : 5

CORTE A-A

4

ÍTEM DENOMINAÇÃO QUANT. MATERIAL ARQUIVO

6 APOIO PULSO 1 PLA -5 PINO ELASTICO 10 mm 6 PLA -4 Porca Exoesqueleto 1 PLA -3 Parafuso Exoesqueleto 1 PLA2 HASTE ANTEBRACO 1 PLA -1 HASTE BRACO 1 PLA -

PROJETADODESENHADOREVISADOAPROVADOREVISÃOSUBSTITUI O:SUBSTITUIDO PELO:

CÓDIGO

VISTO DATA

ESCALA

COTAS EM

TÍTULO

É PROIBIDA A REPRODUÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE DESENHOPALAVRA CHAVE 1:PALAVRA CHAVE 2:PALAVRA CHAVE 3:

mm

1:2

EXOESQUELETO-

PEDROPEDRO

23/09/201625/08/2016

ARQUIVO-

UFRJPROJETO FINAL-

PÁG.1 / 1


200

40 30 25

25

3

12

20 20

105

6

6

167,5

74,5

AA

ESCALA 1 : 2

10 4

CORTE A-A


CÓDIGO

VISTO DATA

ÍTEM

ESCALA

COTAS EM

TÍTULO


DENOMINAÇÃO QUANT. MATERIAL ARQUIVO

mm

1 1 PLA

1:1

HASTO DO BRAÇO-

PEDROPEDRO

23/09/201625/08/2016

ARQUIVO-

UFRJPROJETO FINALEXOESQUELETO

PÁG.1 / 1


200

40 19

30° 25 20 20 45

6

6

12

26

20

80 120

38

R = 10

R = 2,5

R = 2

AA

ESCALA 1 : 2

12,

5

30

7,5

50,5

R = 10

25 4

10

CORTE A-A


CÓDIGO

VISTO DATA

ÍTEM

ESCALA

COTAS EM

TÍTULO


DENOMINAÇÃO QUANT. MATERIAL ARQUIVO

mm

2 1 PLA

1:1

HASTE DO ANTEBRAÇO-

PEDROPEDRO

23/09/201625/08/2016

ARQUIVO-

UFRJPROJETO FINALEXOESQUELETO

PÁG.1 / 1


24,5

24,5

5

M12

4,2

3

1

R = 0,2

45°

ESCALA 1 : 1

DENOMINAÇÃO

É PROIBIDA A REPRODUÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE DESENHO

mm

TÍTULO

PALAVRA CHAVE 3:PALAVRA CHAVE 2:PALAVRA CHAVE 1:

ESCALA

COTAS EM

2:1

3

ÍTEM

EXOESQUELETOPROJETO FINALUFRJ

MATERIAL

PARAFUSO EXOESQUELETOPÁG.

CÓDIGO

1 / 1

QUANT.

1 PLA

VISTO

ARQUIVOSUBSTITUIDO PELOSUBSTITUI O

APROVADOREVISADO

REVISÃO

DESENHADOPROJETADO PEDRO

PEDRO

DATA

08/11/201708/11/2017

ARQUIVO


±30'

COMPRIMENTO DO LADO CURTO

TOLERÂNCIA ANGULAR DIN 7168TOLERÂNCIA LONGITUDINAL DIN 7168DIMENSÃO > 0,5

MÉDIO

GRÁU < 3

±0,1

< 6

±0,1

> 3< 30

±0,2

> 6<> 2000

<<

±0,3

120> 30

<

±0,5

315> 120

<> 1000

1000

±0,8

> 315

±1,2

2000DIMENSÃO

FINO/MÉDIO±2

4000 GRÁU 10

±1°

< > 10 120> 50< 50 <

±20'

> 120

±10'

24,5

AA

5

4

M12

CORTE A-A

ESCALA 1 : 1

DENOMINAÇÃO


mm

TÍTULO


ESCALA

COTAS EM

2:1

4

ÍTEM


MATERIAL

PORCA EXOESQUELETOPÁG.

CÓDIGO

1 / 1

QUANT.

1 PLA

VISTO


APROVADOREVISADO

REVISÃO


PEDRO

DATA

08/11/201708/11/2017

ARQUIVO


-

±30'



MÉDIO

GRÁU < 3

±0,1

< 6

±0,1

> 3< 30

±0,2

> 6<> 2000

<<

±0,3

120> 30

<

±0,5

315> 120

<> 1000

1000

±0,8

> 315

±1,2

2000DIMENSÃO

FINO/MÉDIO±2

4000 GRÁU 10

±1°

< > 10 120> 50< 50 <

±20'

> 120

±10'

8

10

10

4

R = 2

M12

12

14

ESCALA 1 : 1

DENOMINAÇÃO


mm

TÍTULO


ESCALA

COTAS EM

2:1

5

ÍTEM


MATERIAL

PINO 10 mmPÁG.

CÓDIGO

1 / 1

QUANT.

2 PLA

VISTO


APROVADOREVISADO

REVISÃO


PEDRO

DATA

23/09/201625/08/2016

ARQUIVO


- -

77,

5

R = 2

R = 20

50

20

5 12,5

R = 25

R = 2,5

100

25

15

R = 2

230

5 x 45

12,

5

ESCALA 1 : 5

DENOMINAÇÃO


mm

TÍTULO


ESCALA

COTAS EM

1:2

6

ÍTEM


MATERIAL

APOIO PULSOPÁG.

CÓDIGO

1 / 1

QUANT.

1 PLA

VISTO


APROVADOREVISADO

REVISÃO


PEDRO

DATA

07/12/201715/10/2017

ARQUIVO


- -

±30'



MÉDIO

GRÁU < 3

±0,1

< 6

±0,1

> 3< 30

±0,2

> 6<> 2000

<<

±0,3

120> 30

<

±0,5

315> 120

<> 1000

1000

±0,8

> 315

±1,2

2000DIMENSÃO

FINO/MÉDIO±2

4000 GRÁU 10

±1°

< > 10 120> 50< 50 <

±20'

> 120

±10'

OBS.: 1) ACABAMENTO SUPERFICIAL GERAL Ra = 3 0,2µm;2) SUAVIZAR CANTOS VIVOS.

R1

12,5

5 x 45

25

15

80

ESCALA 1 : 2

DENOMINAÇÃO


mm

TÍTULO


ESCALA

COTAS EM

1:1

8

ÍTEM


MATERIAL

ESTRUTURA DO APOIOPÁG.

CÓDIGO

1 / 1

QUANT.

1 PLA

VISTO


APROVADOREVISADO

REVISÃO


PEDRO

DATA

07/12/201712/10/2017

ARQUIVO


- -

±30'



MÉDIO

GRÁU < 3

±0,1

< 6

±0,1

> 3< 30

±0,2

> 6<> 2000

<<

±0,3

120> 30

<

±0,5

315> 120

<> 1000

1000

±0,8

> 315

±1,2

2000DIMENSÃO

FINO/MÉDIO±2

4000 GRÁU 10

±1°

< > 10 120> 50< 50 <

±20'

> 120

±10'

OBS.: 1) ACABAMENTO SUPERFICIAL GERAL Ra = 3 0,2µm;2) SUAVIZAR CANTOS VIVOS.

MECANISMO ASSISTIVO PARA MEMBRO SUPERIOR...

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