DESENVOLVIMENTO DE UM CABEÇOTE DE EXTRUSÃO ?· david kretschek desenvolvimento de um cabeÇote de…

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  • DAVID KRETSCHEK

    DESENVOLVIMENTO DE UM CABEOTE DE EXTRUSO POR

    MBOLO PARA POLIPROPILENO GRANULADO VISANDO A

    MANUFATURA ADITIVA

    Dissertao apresentada como requisito

    parcial para obtenodo grau de Mestre

    em Engenharia, do Programade Ps-

    Graduao em Engenharia Mecnica e de

    Materiais, Universidade

    TecnolgicaFederal do Paran. rea de

    Concentrao: Manufatura.

    Orientador: Prof. Neri Volpato, Ph.D.

    Co-orientador : Prof. Jos A. Foggiatto, Dr. Eng.

    CURITIBA

    2012

  • TERMO DE APROVAO

    DAVID KRETSCHEK

    DESENVOLVIMENTO DE UM CABEOTE DE EXTRUSO

    POR MBOLO PARA POLIPROPILENO GRANULADO

    VISANDO A MANUFATURA ADITIVA

    Esta Dissertao foi julgada para a obteno do ttulo de mestre em engenharia,

    rea de concentrao em engenharia de manufatura, e aprovada em sua forma final

    pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecncia e de Materiais.

    _____________________________

    Prof. Giuseppe Pintade, Dr. Eng.

    Coordenador de Curso

    Banca Examinadora

    Prof. Neri Volpato, Ph.D Jorge Vicente Lopes da Silva, Dr. Eng

    (UTFPR) (CTI)

    __________________________ _______________________________

    Prof. Carlos Ciulik, Ph.D Prof. Elaine Cristina de Azevedo, Dr.Eng

    (UTFPR) (UTFPR)

    __________________________

    Prof. Jos Aguiomar Foggiatto, D.Eng

    (UTFPR)

    Curitiba, 29 de Junho de 2012

  • DEDICATRIA

    Man kann alles verlieren in dieser Leben,

    Aber niemand kann dir die Erziehung wegnehmen.

    Aos meus pais e irmo, que me deram o que h de mais

    importante na vida. Amor, educao e exemplo.

  • AGRADECIMENTOS

    Aos meus orientadores, Neri Volpato e Jos A. Foggiatto, por acreditarem, pela pacincia, compreenso e orientao. Luciana DAddario Guimares, que na boa parte deste tempo foi minha namorada, obrigado pela pacincia e carinho.

    Ao meu amigo Antnio Verguetz pela inestimvel ajuda com tudo, companhia de dia, de noite, no fim de semana e no feriado na UTFPR. Daphene Solis, pela simpatia e os resumos. Ao Ariel Gandelman pela empolgao, positivismo e ajuda multidisciplinar. Alexandre Xando Franzoni, pela diverso e ajuda com RP3. Ao Wilson G. Gaebler Jr pelas fotografias. Margot Oliveira, Lusa Dieter, Thiago Chuba, Andr Ceccon e Victor Lesinhovski, alunos do tcnico em mecnica e estagirios do NUFER, por sempre me ajudar quando eu precisei, com a modelagem em CAD, simulao trmica e preparao de amostras. Em especial ao Maikel Alef, tambm aluno do tcnico e estagirio do NUFER, pela incrvel presteza, dedicao e vontade de ajudar.

    Aos professores, Mrcia Araujo, Elaine Azevedo e Walter Mikos pela ateno e presteza na ajuda com materiais e metrologia. Ao Otvio Beruski, expoente da qumica brasileira, e ao professor Carlos Cruz, pela incrvel presteza e inestimvel ajuda com a espectroscopia. Ao Rodrigo Guigo Nesello, Vitor Vitinho Caldart, Eduardo Dudu Lima, Guilherme Berno Berno, todos alunos do tcnico em mecnica pela presteza e ajuda com a usinagem. minha amigaDaniela Wollmann e o Alexandre Jos Gonalves do GrMAT. Ao Gustavo Macioski, tcnico de laboratrio e responsvel pelo devido funcionamento do DACOC, pelo ajuda com os ensaios de trao. Ao pessoal da SunHeat, com as resistncias. Aos membros da banca avaliadora, Carlos Cziulik, Elaine Azevedo e Jorge Vicente Lopes da Silva, pela presteza na leitura do trabalho e ajuda com a sua melhoria. Graa e ao Giuseppe, obrigado pela pacincia com os meus atrasos. CAPES pela bolsa concedida. Franciele Litvin pela persistente lembrana de que eu deveria entregar este trabalho.

    A todos estes que no falharam em me ajudar e para os quais eu espero nunca falhar.

    Este trabalho, como deve ser a pesquisa e desenvolvimento, no foi feito por um indivduo, mas por uma equipe, neste caso de amigos. No foi o trabalho ideal e esta parte culpa minha, mas qualquer mrito que possa ter, tem graas a estas pessoas.

  • RESUMO

    KRETSCHEK, David. Desenvolvimento de um Cabeote de Extruso por mbolo

    para Polipropileno Granulado Visando a Manufatura Aditiva. 2012. 131 f. Dissertao

    (Mestrado em Engenharia Mecnica) Programa de Ps-Graduao em Engenharia

    Mecnica e de Materiais. Universidade Tecnolgica Federal do Paran. Curitiba.

    2012.

    Um dos processos de manufatura aditiva mais popularesse baseia na fuso e

    deposio do material. O princpio de funcionamento aplicado nestes equipamentos

    restringe o fornecimento de matria-prima, principalmente no mercado nacional, e a

    gama de materiais aplicveis. O desenvolvimento de um equipamento capaz de

    processar o material na forma granulada contribuiria para a popularizao do

    processo e para a ampliao da gama de materiais disponveis a serem utilizados.

    Este trabalho descreve o desenvolvimento de um cabeote de extruso capaz de

    processar polipropileno granulado e extrud-lo em forma de filamento contnuo e

    controlado. Este foi projetado de forma a reduzir o efeito da degradao sobre o

    material. Experimentos foram conduzidos a fim de caracterizar o comportamento

    dimensional dos filamentos gerados e assim permitir o seu melhor controle. A

    degradao do material no interior do cilindro aquecido foi avaliada por ensaios de

    espectroscopia no infravermelho e de trao em amostras de filamentos. Os

    resultados dos experimentos de extruso mostraram que os filamentos apresentam

    variao de vazo ao longo do comprimento extrudado, sendo que a sua largura

    aumenta at atingir um patamar onde estabiliza. Os ensaios de espectroscopia

    mostram ocorrer degradao dentro do cilindro aquecido, mas os efeitos negativos

    sobre a resistncia mecnica dos filamentos so menos acentuados quando

    empregando o cabeote projetado. Concluiu-se que o princpio de extruso por

    mbolo com alimentao granulada vivel, necessitando, no entanto, desenvolver

    mecanismos de controle da extruso mais adequados ao processo.

    Palavras-Chave: Manufatura Aditiva. Processos baseados em Fuso e Deposio.

    FDM.

  • ABSTRACT

    KRETSCHEK, David. Development of a Piston Driven Extrusion Head Fed with

    Granulated Polypropylene for Additive Manufacturing Application. 2012. 131 f.

    Dissertao (Mestrado em Engenharia Mecnica) Programa de Ps-Graduao

    em Engenharia Mecnica e de Materiais. Universidade Tecnolgica Federal do

    Paran. Curitiba. 2012.

    One of the most popular additive manufacturing processes is based on

    fuseddeposition of the material. The principleapplied to these machines makes

    difficult to find suppliers of raw materials, especially in brazilian market, and narrow

    the variety of materials applicable. The development of equipment able to process

    the material in the granular form will contribute to the process popularization and

    extension of available material to be used. This work describes the development of

    an extrusion head capable to process polypropylene granules and extrudeit as

    continuous and controlled filament. The extrusion head was designed in order to

    minimize the volume of material to be fused and reduce the effect of material

    degradation. Experiments were conducted to characterize the dimensional behavior

    of the filaments generated and thus allow its better control. The material degradation

    inside the extrusion head was assessed by infrared spectroscopyand its negative

    effects over filaments strength by tensile tests.The results of the extrusion

    experiments showed that the filaments have flow variation along the extruded length,

    following an increasing curve until a value where its average stabilizes. Spectroscopy

    showed that degradation occurs inside the heated cylinder, but its negative effects on

    material strength are less intense when using the designed extrusion head. It was

    concluded that the extrusion plunger principle with granulated feeding is viable for

    Additive Manufacturing, requiring, however, better control mechanisms of the

    extrusion to enable the manufacture of uniform and cohesive parts.

    Keywords: Additive Manufacturing. Fused Deposition based processes. FDM.

  • LISTA DE FIGURAS

    FIGURA 2.1 - CABEOTE DE EXTRUSO FDM ..................................................... 25

    FIGURA 2.2 - FUNCIONAMENTO DO CABEOTE DE EXTRUSO DA FDM ........ 26

    FIGURA 2.3 - PARMETROS DE PREENCHIMENTOS DAS CAMADAS. .............. 27

    FIGURA 2.4 - ESTRUTURA TPICA DE PEA FABRICADA POR FDM .................. 28

    FIGURA 2.5 - ESTRUTURAS COM GAP NEGATIVO (A) E NULO (B) .................... 28

    FIGURA 2.6 - CURVAS TENSO-DEFORMAO DOS CORPOS DE ABS ........... 29

    FIGURA 2.7 - EQUIPAMENTO BITS FOR BYTES (A), MAKERBOT (B) E REPRAP

    (C) ...................................................................................................... 31

    FIGURA 2.8 PEA DE PP (ESQ.) E ABS (DIR.) FABRICADAS PELA BITS FOR

    BYTES ............................................................................................... 32

    FIGURA 2.9 - FLAMBAGEM DO FILAMENTO ......................................................... 34

    FIGURA 2.10 - EQUIPAMENTO MED (A) E DETALHE DA ROSCA DE EXTRUSO

    (B) ...................................................................................................... 34

    FIGURA 2.11 - CABEOTE EXTRUSOR DESENVOLVIDO PARA FAB@HOME ... 35

    FIGURA 2.12 - PEAS FABRICADAS EM EVA ....................................................... 36

    FIGURA 2.13 - ESQUEMA DO EQUIPAMENTO (A), 1 ROSCA FABRICADA (B) E

    EQUIPAMENTO MONTADO (C) ....................................................... 38

    FIGURA 2.14 - EQUIPAMENTO DESENVOLVIDO .................................................. 39

    FIGURA 2.15 - ESTRUTURAS FABRICADAS PELO EQUIPAMENTO .................... 40

    FIGURA 2.16 - SISTEMA ROTATIVO PNEUMTICO (A) E COM ROSCA (B) ........ 41

    FIGURA 2.17 - PEAS FEITAS PELA BIOEXTRUDER (A) E (B) E DETALHE DOS

    FILAMENTOS (C) .............................................................................. 41

    FIGURA 2.18 - EQUIPAMENTO DESENVOLVIDO POR LU ET AL. ........................ 42

  • FIGURA 2.19 - RELAO DA MASSA MOLECULAR COM ALGUMAS

    PROPRIEDADES DOS POLMEROS: A = MDULO ELSTICO, B =

    RESISTNCIA TRAO E C = DUREZA ...................................... 43

    FIGURA 2.20 - CONFORMAO ALEATRIA E RESTRIES DA ESTRUTURA

    DE UMA CADEIA CARBNICA ......................................................... 44

    FIGURA 2.21 - ESTIRAMENTO DAS MACROMOLCULAS NA ENTRADA DO

    CAPILAR ............................................................................................ 45

    FIGURA 2.22 - ROSCA DE PROCESSAMENTO DE POLMEROS ......................... 45

    FIGURA 2.23 - ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DE REMETRO CAPILAR ..... 46

    FIGURA 2.24 - INCHAMENTO DO EXTRUDADO .................................................... 47

    FIGURA 2.25 - INCHAMENTO DO EXTRUDADO EM FUNO DA TAXA DE

    CISALHAMENTO A DIFERENTES TEMPERATURAS ..................... 47

    FIGURA 2.26 - FRATURA DO FUNDIDO ................................................................. 48

    FIGURA 2.27 - FRMULA DO POLIPROPILENO .................................................... 51

    FIGURA 2.28 - CONFORMAO EM ESPIRAL DA FASE CRISTALINA DO

    POLIPROPILENO ISOTTICO HOMOPOLMERO ........................... 52

    FIGURA 3.1 - DISPOSITIVO DE TESTE DE EXTRUSO ........................................ 56

    FIGURA 3.2 - COMPONENTES DO DISPOSITIVO DE TESTES ............................. 56

    FIGURA 3.3 - ILUSTRAO DO FUNCIONAMENTO PRETENDIDO DO SISTEMA

    EXTRUSOR. ...................................................................................... 58

    FIGURA 3.4 - CONCEPES AVALIADAS POR SIMULAO: (A) COM ALETAS E

    (B) COM PAREDE FINA. ................................................................... 59

    FIGURA 3.5RESULTADOS DA SIMULAO NO CILINDRO COM ALETAS (A) E

    DE PAREDE FINA(B). ....................................................................... 60

    FIGURA 3.6 - DESENHO DETALHADO DA CONCEPO 2. ................................. 63

  • FIGURA 3.7DESENHO DETALHADO DA CONCEPO 3 ................................... 64

    FIGURA 3.8 - CABEOTE EXTRUSOR ................................................................... 65

    FIGURA 3.9 SISTEMA DE CONTROLE DA TEMPERATURA .............................. 68

    FIGURA 3.10 - BANCADA CNC ................................................................................ 69

    FIGURA 3.11 - SISTEMA DE CONTROLE DO EQUIPAMENTO PROTTIPO ....... 70

    FIGURA 3.12 - EQUIPAMENTO PROTTIPO COM PERIFRICOS ....................... 71

    FIGURA 3.13 - ILUSTRAO DOS PARMETROS DE EXTRUSO ..................... 72

    FIGURA 3.14 - MOVIMENTAO SEGUNDO X E Y ............................................... 74

    FIGURA 4.1 - FLUXOGRAMA DAS ETAPAS EXPERIMENTAIS ............................. 76

    FIGURA 4.2 - POSIO DOS TERMOPARES AO LONGO DO CILINDRO ............ 78

    FIGURA 4.3 - TRAJETRIA PARA ANLISE DOS FILAMENTOS DE 250 MM ...... 82

    FIGURA 4.4 - TRAJETRIA PARA A ANLISE DOS FILAMENTOS DE 1450 MM . 84

    FIGURA 4.5 - PONTOS DE MEDIES DAS AMOSTRAS DE 1450 MM ............... 85

    FIGURA 4.6 - PONTOS DE MEDIES DAS AMOSTRAS DE 4000 MM ............... 86

    FIGURA 4.7 - TRAJETRIA DE VERIFICAO DA ADESO ................................ 87

    FIGURA 4.8- TRAJETRIA DE PREPARAO DAS AMOSTRAS DO ENSAIO DE

    TRAO ............................................................................................ 90

    FIGURA 5.1 - GRFICO TEMPERATURA X TEMPO CONFORME ALTURA DO

    CILINDRO PARA TP=180C .............................................................. 91

    FIGURA 5.2 - GRFICO TEMPERATURA X TEMPO CONFORME ALTURA DO

    CILINDRO PARA TP=200C .............................................................. 92

    FIGURA 5.3 - GRFICO TEMPERATURA X TEMPO CONFORME ALTURA DO

    CILINDRO PARA TP=220C .............................................................. 92

    FIGURA 5.4 - AMOSTRA DE MATERIAL ALIMENTADO A 200C, MAS NO

    COMPRIMIDO ................................................................................... 94

  • FIGURA 5.5 - PERFIL DA TEMPERATURA AO LONGO DO CILINDRO ................. 94

    FIGURA 5.6 - AMOSTRAS DO MATERIAL FUNDIDO A TP 180C (A), 200C (B),

    220C (C) E TODAS AS AMOSTRAS JUNTAS (D) ........................... 95

    FIGURA 5.7 - ASPECTO DO CONTATO FILAMENTO-POLIURETANO ................. 97

    FIGURA 5.8 - GRFICO DOS RESULTADO DO FILAMENTO DE 250 MM ............ 98

    FIGURA 5.9 - GRFICO DE DISPERSO DO DESVIO PADRO ......................... 100

    FIGURA 5.10 - GRFICO DOS EFEITOS DOS PARMETROS NA LARGURA DO

    FILAMENTO PARA VM DE 2MM/S ................................................. 101

    FIGURA 5.11 - MICROGRAFIAS DOS FILAMENTOS EXTRUDADOS A 180 C, VD

    135 MM/MIN E VE (A) 0,008, (B) 0,019 E (C) 0,043 MM/S. ............ 102

    FIGURA 5.12MICROGRAFIA DOS DEFEITOS NAS AMOSTRAS DE

    FILAMENTOS EXTRUDADOS (A) ESTRICO, (B) FRATURA E (C)

    INCLUSO ....................................................................................... 103

    FIGURA 5.13 - GRFICO DAS LARGURAS MDIAS DOS ENSAIOS COM

    FILAMENTOS DE 1450 MM ............................................................ 105

    FIGURA 5.14 GRFICO DAS LARGURAS MDIAS DOS ENSAIOS 1 E 4 COM

    FILAMENTOS DE 1450MM ............................................................. 106

    FIGURA 5.15 - GRFICO DAS MEDIES DE LARGURA DO FILAMENTO DE

    4000 MM .......................................................................................... 107

    FIGURA 5.16- GRFICO DAS REAS DO FILAMENTO DE 4000 MM ................. 108

    FIGURA 5.17 - GRFICO DE CORES EM FUNO DA ALTURA EM Z ............... 109

    FIGURA 5.18AMOSTRA PARA VERIFICAO DO PERFIL DE ALTURA E

    INDICAO DO PLANO DE CORTE .............................................. 110

    FIGURA 5.19 - PERFIL DE ALTURA DO INCIO DA AMOSTRA ........................... 110

    FIGURA 5.20 - PERFIL DE ALTURA DO FIM DA AMOSTRA ................................ 110

  • FIGURA 5.21 - ESPECTROS NO INFREAVERMELHO DAS AMOSTRAS

    PREPARADAS COM O CILINDRO DE CONCEPO 2. ............... 112

    FIGURA 5.22 - ES SPECTROS NO INFREAVERMELHO DAS AMOSTRAS

    PREPARADAS COM O CILINDRO DE CONCEPO 3. ............... 112

    FIGURA 5.23 - GRFICOS DE TENSO X DEFORMAO DA CONCEPO 2

    COM TP (A) 180C, (B) 200C E (C) 220C .................................... 115

    FIGURA 5.24 - GRFICOS DE TENSO X DEFORMAO EMPREGANDO A

    CONCEPO 3 COM TP (A) 180C, (B) 200C E (C) 220C ......... 116

  • LISTA DE TABELAS

    TABELA 2.1 - PROPRIEDADES DO POLIPROPILENO H301 DA BRASKEM ......... 52

    TABELA 3.1 REQUISITOS BSICOS DE PROJETO PARA CABEOTE DE

    EXTRUSO ....................................................................................... 54

    TABELA 3.2 - PARMETROS DAS SIMULAES TRMICAS .............................. 59

    TABELA 3.3- PARMETROS PID DO CONTROLADOR ......................................... 68

    TABELA 4.1 - PLANEJAMENTO DA ANLISE DE FUSO DO CILINDRO ............. 77

    TABELA 4.2 - ETAPAS DE AQUISIO DO PERFIL DE TEMPERATURA AO

    LONGO DO CILINDRO ...................................................................... 78

    TABELA 4.3- ETAPAS DE PREPARAO DAS AMOSTRAS DE MASSA FUNDIDA

    ........................................................................................................... 79

    TABELA 4.4 - TIPOS DE SUBSTRATOS ................................................................. 80

    TABELA 4.5 - PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL 3 DA EXTRUSO EM 250 MM

    ........................................................................................................... 83

    TABELA 4.6- PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL DE ESPECTROSCOPIA NO

    INFRAVERMELHO ............................................................................ 89

    TABELA 5.1 - RESULTADOS DOS TESTES DE SUBSTRATO .............................. 96

    TABELA 5.2 - RESULTADOS RESUMIDOS DOS FILAMENTOS DE 250MM ......... 99

    TABELA 5.3 - RESULTADOS RESUMIDOS DE EXTRUSO EM 1450 MM .......... 105

    TABELA 5.4- TABELA DOS RESULTADOS RESUMIDOS DE REA DOS

    FILAMENTOS DE 4000 MM ............................................................ 107

    TABELA 5.5- RESULTADOS DOS ENSAIOS DE TRAO ................................... 114

  • LISTA DE ACRNIMOSE SIGLAS

    ABS Acrilonitrila-Butadieno-Estireno (Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)

    AM Manufatura Aditiva (Additive Manufacturing)

    CAD Projeto Auxiliado por Computador (Computer Aided Design)

    Cf Cilindro de Parede Fina

    Cm Cilindro de Parede Grossa

    CNC Controle Numrico Computadorizado (Computer Numerical Control)

    DACOC Departamento Acadmico de Construo Civil

    Dp Desvio Padro

    EMC2 Programa de controle CNC para plataforma LINUX (Enhanced Machine

    Control)

    EVA Etileno Acetato de Vinila (Ethylene Vinyl Acetate)

    FD Fuso e Deposio (Fused Deposition)

    FDC Fuso e Deposio de Cermicos (Fused Deposition of Ceramics)

    FDM Modelagem por Fuso e Deposio (Fused Deposition Modeling)

    FTIR Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (Fourier

    Transform Infrared Spectroscopy)

    LEA Levantamento do Estado da Arte

    MED Mini Extruder Deposition

    NUFER Ncleo de Prototipagem e Ferramental (Prototyping and Tooling Group)

    PC Policarbonato (Polycarbonate)

    PCL Policaprolactona (Polycaprolactone)

    PEI Polieterimida (Polyetherimide)

    PLA Polilactato (Polylactide)

    PM Peso Molecular (Molecular Weight)

    PP Polipropileno (Polypropylene)

    PPSF Polifenilsulfona (Polyphenylsulfone)

    RM Manufatura Rpida (Rapid Manufacturing)

    RP Prototipagem Rpida (Rapid Prototyping)

    RP3 Planejamento de Processo de Prototipagem Rpida (Rapid Prototyping

    Process Planning)

  • RT Ferramental Rpido (Rapid Tooling)

    SL Estereolitografia, processo (Stereolithography)

    SML Stratasys Modeling Language

    STL Estereolitografia, formato de arquivo (Stereolithography)

    UTFPR Universidade Tecnolgica Federal do Paran

    UV Ultra-Violeta

  • LISTA DE SMBOLOS

    Af rea do furo de sada do cilindro

    Ae rea da seo transversal do mbolo

    F Frequncia de acionamento do motor de passo

    i Taxa de reduo do redutor

    k Coeficiente de condutividade trmica

    L Comprimento do cilindro

    Ppr Resoluo do motor de passo em pulsos por revoluo

    Pf Passo do fuso do cabeote

    qf Taxa de transferncia de calor por conduo do cilindro de parede fina

    qg Taxa de transferncia de calor por conduo do cilindro de parede

    grossa

    qf Taxa de transferncia de calor por conveco do cilindrode parede fina

    qg Taxa de transferncia de calor por conveco em do cilindro de parede

    grossa

    ri Raio interno de ambos os cilindros

    ref Raio externo cilindro de parede fina

    reg Raio externo cilindro de parede grossa

    r Resoluo do driver de micropassos

    Ti Temperatura na parede interna do cilindro

    Te Temperatura na parede externa do cilindro

    Tc Temperatura da superfcie do cilindro

    Tar Temperatura da superfcie do fluido

    Tm Temperatura de fuso do material

    Tp Temperatura de processamento

    T Perodo dos pulsos acionamento do motor de passo

    Ve Velocidade de deslocamento do mbolo

    Vf Velocidade de extruso do filamento

    Vd Velocidade de deslocamento do cabeote

  • SUMRIO

    1 INTRODUO ....................................................................................................... 18 1.1 Apresentao do problema ............................................................................................................. 19 1.2 Objetivos ....................................................................................................................................... 20 1.3 Justificativa ...................................................................................................................................... 20 1.4 Organizao do trabalho ................................................................................................................. 21

    2 MANUFATURA ADITIVA PROCESSOS BASEADOS EM FUSO E DEPOSIO ............................................................................................................. 22 2.1 O princpio da Manufatura Aditiva ................................................................................................... 22 2.2 Classificao dos processos de AM ............................................................................................... 23 2.3 Tecnologias Baseadas em Fuso e Deposio .............................................................................. 24 2.4 Processo comercial de FDM ........................................................................................................... 25

    2.4.1 Parmetros de Processamento e Propriedades das Peas Fabricadas por FDM ...................... 27

    2.5 Processos de Baixo Custo Baseados em FD ................................................................................. 30 2.6 Processos Experimentais Baseados em FD ................................................................................... 32

    2.6.1 FD com Alimentao em Filamentos ........................................................................................... 32

    2.6.2 FD com extruso por Rosca......................................................................................................... 33

    2.6.3 FD com Extruso por mbolo ...................................................................................................... 38

    2.7 Polmeros como materiais para processos baseados em FD ........................................................ 43

    2.7.1 Reologia do Polmero Fundido ..................................................................................................... 44

    2.7.2 Processamento ............................................................................................................................ 45

    2.7.3 Fenmenos Observados na Extruso .......................................................................................... 46

    2.7.4 Degradao ................................................................................................................................ 49

    2.7.5 Polipropileno ................................................................................................................................ 51

    2.8 Consideraes sobre A Literatura ................................................................................................... 53

    3 DESENVOLVIMENTO DO CABEOTE DE EXTRUSO ..................................... 54 3.1 Requisitos para AM ......................................................................................................................... 54 3.2 Concepo 1 - Testes Preliminares ................................................................................................ 55 3.3 Concepo 2 - Desenvolvimento do sistema de extruso .............................................................. 57

    3.3.1 Avaliao de Concepes por Simulao Trmica ..................................................................... 58

    3.3.2 Clculo da Eficincia Trmica da Concepo 2 Variando a Espessura da Parede .................... 60

    3.3.3 Fabricao ................................................................................................................................ 63

    3.4 Concepo 3 Cilindro de Comparao ........................................................................................ 64 3.5 Cabeote de Extruso ..................................................................................................................... 65

    3.5.1 Sistema Motor .............................................................................................................................. 65

    3.5.2 Sistema de Controle do Cabeote ............................................................................................... 67

    3.6 Bancada CNC ................................................................................................................................. 69

    3.6.1 Implementao do Cdigo G no Planejamento do Processo ...................................................... 71

    3.7 Parmetros de Extruso .................................................................................................................. 72

    3.7.1 Temperatura de Processamento .................................................................................................. 73

    3.7.2 Velocidade de Extruso do filamento ........................................................................................... 73

    3.7.3 Velocidade do mbolo ................................................................................................................. 74

    3.7.4 Velocidade de Deslocamento do Cabeote ................................................................................. 74

    3.7.5 Altura da Camada ........................................................................................................................ 75

    3.7.6 Tempo de Permanncia ............................................................................................................... 75

  • 4 Estudo experimental do processo .................................................................. 76 4.1 Anlise da Fuso do PP ao longo do cilindro ................................................................................. 76

    4.1.1 Perfil de Temperatura ao Longo do Cilindro ................................................................................ 78

    4.1.2 Avaliao da Massa Fundida ....................................................................................................... 79

    4.2 Testes de Substrato ........................................................................................................................ 79 4.3 Estudo de Extruso DEFINIO DA JANELA DE PROCESSAMENTO .................................... 81

    4.3.1 Anlise do Filamento de 250 mm ................................................................................................. 81

    4.3.2 Anlise do Filamento de 1450 mm ............................................................................................... 83

    4.3.3 Anlise do Filamento de 4000 mm ............................................................................................... 85

    4.3.4 Verificao da Adeso Lateral entre Filamentos ......................................................................... 86

    4.4 Estudo da degradao .................................................................................................................... 88

    4.4.1 Espectroscopia no Infravermelho ................................................................................................. 88

    4.4.2 Ensaios de Trao ....................................................................................................................... 90

    5 RESULTADOS E DISCUSSES ....................................................................... 91 5.1 Anlise da Fuso do PP ao longo do cilindro ................................................................................. 91 5.2 Resultados dos Testes de Substrato .............................................................................................. 96 5.3 Estudo de Extruso ......................................................................................................................... 98

    5.3.1 Anlise do Filamento de 250 mm ................................................................................................. 98

    5.3.2 Anlise do Filamento de 1450 mm ............................................................................................. 104

    5.3.3 Anlise do Filamento 4000 mm .................................................................................................. 106

    5.3.4 Verificao da Adeso ............................................................................................................... 108

    5.4 Estudo da Degradao .................................................................................................................. 111

    5.4.1 Espectroscopia no Infravermelho ............................................................................................... 111

    5.4.2 Ensaios de Trao ..................................................................................................................... 113

    6 CONCLUSES .................................................................................................... 118 6.1 Consideraes Finais .................................................................................................................... 118 6.2 Concluses .................................................................................................................................... 119 6.3 Recomendaes para Trabalhos Futuros ..................................................................................... 120

    REFERNCIAS ....................................................................................................... 122

  • 18

    1 INTRODUO

    Os processos de fabricao convencionais podem ser classificados em quatro

    grupos: por remoo de material, por fuso e moldagem, por conformao e por

    adio. Neste ltimo grupo, se enquadram tambm os processos denominados de

    manufatura aditiva (AM - Additive Manufacturing), um processo cuja aplicao

    comercial comeou no final da dcada de 80 (VOLPATO; CARVALHO, 2007).

    Neste,so produzidas peas atravs da adio de material, camada a camada, sem

    ferramentas, mudana de orientao da pea, moldes ou dispositivos de fixao e

    com pouca interferncia humana (ibid.)

    O empregoda AM no processo de desenvolvimento de produtos e na produo

    em baixa escala, como processo de fabricao rpido e flexvel, j est

    consolidado.Novas aplicaes de especial potencial na indstria, como a fabricao

    de ferramentas de produo, e na rea mdica,como a fabricao de estruturas para

    cultura de tecidos e a fabricaode prteses,vm se desenvolvendo.

    Um dos processos de AM mais populares, denominado Modelagem por Fuso

    e Deposio (FDM Fused Deposition Modeling), objeto frequente de pesquisa e

    desenvolvimento.Neste, a fabricao do modelo feito pela extruso de um

    filamento polimrico fundido preenchendo as camadas e formando a pea. Com

    base no princpio de deposio do material fundido, uma srie de novos processos

    vem sendo desenvolvidos para atender a requisitos especficos de cada aplicao,

    como processar biopolmeros e materiais biocompatveis ou reduzir custos.

    O mercado da manufatura aditiva vem experimentando um forte crescimento

    impulsionado pela criao de novas aplicaes e a popularizao das aplicaes j

    existentes (Wohlers, 2012). Segundo Petrusch et al. (2007), vrios pases vm

    desenvolvendo mquinas de AM procurando atingir parte desse mercado ou

    simplesmente promover o desenvolvimento da tecnologia. No Brasil, algumas

    universidades e instituies vm realizando pesquisas nesta rea, mas estas ainda

    so poucas (ibid).

  • 19

    1.1 APRESENTAO DO PROBLEMA

    O Brasil ainda no usufrui plenamente do potencial impacto desta tecnologia e

    de suas aplicaes, pois, por ser importador de equipamentos de AM, est sujeito

    aos altos custos de aquisio e manuteno, o que acaba onerando sua operao e,

    por consequncia, limitando seu emprego (PETRUSCH et al., 2007).

    Alm do custo inicial de aquisio do equipamento, a manuteno do seu

    funcionamento tambm onerosa. A especificidade dos materiais empregados para

    fabricao dos modelos faz com que, para vrios processos, haja poucos ou

    nenhum fornecedor alternativo, obrigando a sua importao. A manuteno do

    equipamento, em caso de problemas no seu funcionamento, exige a contratao de

    servios especializados, pois, as tecnologias empregadas so, muitas vezes, pouco

    usuais e as empresas fabricantes dos equipamentos so bastante restritivas quanto

    abertura de seus sistemas para estudo e interveno de pesquisadores e usurios.

    Em especial, nos processos baseados em Fuso e Deposio (FD) a

    alimentao do material no equipamento , geralmente, feita em forma de um

    filamento. Esta forma de alimentao dificulta a aquisio de matria-prima pois,

    exige o pr-processamento do material para um filamento. Alm de incorporar mais

    uma etapa para produo da matria-prima, nem todos materiais com aplicaes

    potenciais em AM permitem a formao de um filamento que atenda aos requisitos

    de rigidez necessrios (BELLINI, 2003).

    Os processos de AM so, em geral, caros e pouco acessveis, tanto na

    aquisio quanto para manuteno. Naqueles baseados em FD a alimentao em

    forma de filamento gera uma forte restrio de acesso diferentes materiais. Foi

    acreditado ao processo baseado em FD de extruso com alimentao granulada a

    capacidade de solucionar estes problemas, empregando para isto um sistema

    mecnico simples e acessvel.

  • 20

    1.2 OBJETIVOS

    O objetivo principal deste trabalho desenvolver um cabeote de extruso por

    mbolo com alimentao de polipropileno granulado e avaliar a sua viabilidade como

    princpio de funcionamento para aplicao em manufatura aditiva.

    Para cumprir este objetivo alguns objetivos especficos foram definidos.

    Projetar e fabricar um sistema de deposiocapaz de gerar um filamento

    contnuo e controlado a partir de polipropileno granulado;

    Estudar o comportamento dimensional do filamento gerado a fim de

    verificar se o processo estvel(controlado);

    Estudar o efeito da degradao trmica sobre a qualidade do filamento

    para verificar a viabilidade de aplicao do processo para AM;

    Verificar a adeso entre filamentos depositados adjacentemente.

    1.3 JUSTIFICATIVA

    O desenvolvimento de um processo nacional deve atrair a ateno para o

    cenrio brasileiro da manufatura aditiva e incentivar a pesquisa e desenvolvimento

    nesta rea. O desenvolvimento de um equipamento tecnologicamente acessvel e

    capaz de processar materiais de fcil obteno deve reduzir o custo de operao e

    manuteno, popularizando a AM entre usurios autnomos, interessados em

    produzir itens prprios, e pequenas empresas, que no podem adquirir e manter

    equipamentos importados.Nas instituies de ensino, daria maior liberdade para as

    pesquisas baseadas em tal processo e aos alunos permitiria o uso desta tecnologia

    sem ter de arcar com o alto custo associado operao de equipamentos

    importados.

    O emprego do princpio de fuso e deposio, reforado pela alimentao

    granulada, amplia a gama de materiais aplicveis ao processo dando mais

    flexibilidade pesquisa em AM e facilitando o acesso dos usurios matria-prima.

  • 21

    A reduo do custo de aquisio e operao dos equipamentos permitir a

    aplicao em maior escala da AM, fazendo com que mais projetos usufruam das

    suas vantagens.

    1.4 ORGANIZAO DO TRABALHO

    Este documento est organizado em seis captulos. O Captulo 1 se refere

    introduo rea do conhecimento e ao contexto do trabalho. So apresentados

    alguns problemas na AM, justificado o empenho de um esforo de pesquisa para

    solucion-los e os objetivos deste trabalho. O Captulo 2 revisa conceitos de

    manufatura aditiva, o estado da arte dos processos de AM baseados em fuso e

    deposio e aborda os conceitos sobre polmerosimportantes compreenso do

    trabalho. No Captulo 3 descrito o desenvolvimento do cabeote de extruso por

    mbolo e alimentao granulada. O Captulo 4 so descritos os materiais e mtodos

    experimentais usados no estudo do filamento produzido pelo cabeote desenvolvido.

    O Captulo 5 apresenta os resultados e discusses dos experimentos enquanto que

    no Captulo 6 so descritas as concluses sobre o trabalho e as sugestes de

    trabalhos futuros.

  • 22

    2 MANUFATURA ADITIVA PROCESSOS BASEADOS EM FUSO

    E DEPOSIO

    Neste captulo sero apresentados os conceitos de manufatura aditiva, em

    especial aqueles associados aos processos baseados em fuso e deposio, uma

    reviso do estado da arte dos processos. Sero visto conceitos de polmeros de

    interesse no trabalho. A reviso destes conceitos visa inteirar o leitor sobre o

    contexto do trabalho e embasar a tomada de decises.

    2.1 O PRINCPIO DA MANUFATURA ADITIVA

    A Manufatura Aditiva (AM Additive Manufacturing) definida como um

    processo de fabricao no qual um modelo fsico fabricado pela adio de material

    em camadas sucessivas a partir de um modelo tridimensional gerado em um

    programa CAD (Computer Aided Design) (ASTM, 2010; VOLPATO; CARVALHO,

    2007; GRIMM, 2004).

    Segundo Volpato e Carvalho (2007), o processo de adio de camadasfoi

    inicialmente concebido e empregado na fabricao de prottipos para visualizao,

    sem grandes exigncias de preciso e resistncia mecnica. Desta aplicao, surgiu

    o termo prototipagem rpida (RP - Rapid Prototyping). Com a popularizao do

    processo surgiram, no entanto, novas aplicaes e novas exigncias s peas

    fabricadas por AM. Estas passaram a ser empregados tambm pela engenharia para

    testes funcionais, devendo suas propriedades se assemelhar s peas que seriam

    posteriormente produzidas pelo processo definitivo de fabricao. Da necessidade

    de maior quantidade de peas prottipo, surgiu a aplicao da AM para a fabricao

    de ferramental, conhecida como ferramental rpido (RT-Rapid Tooling).

    Posteriormente, a aplicao da AM como processo definitivo de fabricao das

    peas deu origem ao termo manufatura rpida (RM-Rapid Manufacturing).

  • 23

    A AM, enquanto processo de fabricao, apresenta uma srie de vantagens em

    relao a outros processos, como a usinagem. O princpio de manufatura por

    camadas garante AM grande liberdade quanto geometria, incluindo peas

    impossveis ou dificilmente fabricadas por outro processo. Outra caracterstica

    positiva a independncia de dispositivos de fixao, pois o prprio processo gera

    estruturas responsveis por sustentar e fixar a pea que est sendo fabricada.

    Contribuindo tambm para a automao do processo, uma ou vrias peas podem

    ser fabricadas em uma s etapa, sem haver necessidade, por exemplo, de troca de

    ferramentas ou paradas para mudana de fixao, permitindo assim que as

    mquinas trabalhem, uma vez preparadas,independentes de um operador. A AM

    permite a fabricao de uma pea, a partir de um modelo virtual, em apenas uma

    etapa contnua de fabricao. Isto torna a agilidade de obteno de um modelo fsico

    talvez a principal vantagem deste processo (GRIMM, 2004; VOLPATO; CARVALHO,

    2007).

    2.2 CLASSIFICAO DOS PROCESSOS DE AM

    Desde o final da dcada de 1980, quando o primeiro equipamento de AM foi

    comercializado, empregando a tecnologia denominada de Estereolitografia (SL -

    Stereolithography), vrias outras tecnologias foram desenvolvidas (VOLPATO;

    CARVALHO, 2007). Segundo Wohlers (2012), em 2012 existem cerca de 31

    fabricantes de equipamentos de AM, sendo que alguns destes comercializavam mais

    de um tipo de equipamento. Apesar da variedade de fabricantes e equipamentos, os

    processos de AM apresentam basicamente as mesmas etapas e podem ser

    classificados segundo o estado inicial da matria-prima em trs tipos (VOLPATO;

    CARVALHO, 2007). So eles:

    1) Baseados em lquido, quando a matria-prima empregada para fabricar

    o modelo encontra-se lquida antes de ser processada, podendo ser, por

    exemplo, uma resina polimrica, armazenada em uma cuba e curada

  • 24

    por um feixe de laser ultravioleta (UV) ou jateada por um cabeote de

    impresso e curada quando exposta luz UV;

    2) Baseados em slido. Neste, o material encontra-se no estado slido,

    podendo ser em forma de filamento, lmina ou outra qualquer, e

    fundido e depositado ou simplesmente recortado, por uma faca ou por

    laser, para formar o modelo;

    3) Baseados em p. A matria-prima encontra-se na forma de p antes de

    ser processada, por exemplo, pela incidncia de um feixe laser que

    aquece e funde o material ou pela aplicao de um material aglutinante

    que ser curado para dar maior rigidez ao modelo.

    2.3 TECNOLOGIAS BASEADAS EM FUSO E DEPOSIO

    Em funo do escopo da pesquisa, uma maior ateno foi dada s tecnologias

    baseadas em fuso e deposio (FD - Fused Deposition) de material. Estas se

    caracterizam por depositarem material fundido na forma de filamentos finos que ao

    se solidifica do rigidez pea.

    Um dos processos de FD mais conhecidos denominado Modelagem por

    Fuso e Deposio (FDM - Fused Deposition Modeling). Este foi concebido em 1989

    e patenteado em 1992 como processo de AM por Steven Scott Crump

    (STRATASYS, 1992), co-fundador da empresa Stratasys Inc.A FDM foi um dos

    primeiros processos de AM desenvolvidos, sendo tambm o mais popular,

    superando, em nmero de mquinas instaladas, qualquer outro processo (GIBSON;

    ROSEN; STUKER, 2010). O termoFused Deposition Modeling e a sigla FDM so

    registrados pela empresa Stratasys e se referem aos equipamentos da marca, nos

    quais a alimentao da matria-prima feita em forma de um filamento

    (STRATASYS, 2004).Ambos so, muitas vezes, utilizados para se referir

    genericamente aos processos nos quais a matria-prima, independente da forma

  • 25

    como esta se apresenta, est inicialmente slida, fundida e extrudada para ento

    ser solidificada (GIBSON; ROSEN; STUKER, 2010).

    Este trabalho empregar a sigla FDM e o seu significado para se referir ao

    processo patenteado em 1992, enquanto que outros processos semelhantes

    baseados no mesmo princpio, mas com caractersticas diferentes, como por

    exemplo a forma de alimentao da matria-prima, sero tratados como processos

    baseados em FD ou pela sua prpria denominao, quando houver.

    2.4 PROCESSO COMERCIAL DE FDM

    No processo comercial FDM a matria-prima, um termoplstico, alimentada

    em forma de um filamento flexvel enrolado em uma bobina. O filamento conduzido

    at o cabeote extrusor, um dispositivo mvel controlado por CNC, onde polias so

    responsveis por tracion-lo da bobina e empurr-lo atravs de um canal aquecido,

    fazendo-o fundir-se e ser extrudado por um furo na extremidade oposta do canal

    (STRATASYS, 1992). A Figura 2.1 mostra os esboos do cabeote de extruso FDM

    desenvolvido por Steven S. Crump.

    Figura 2.1 - Cabeote de Extruso FDM1

    Fonte: Stratasys (1992).

    1Todas as Figuras, Tabelas e Quadros sem indicao explcita da fonte foram produzidas pelo autor da dissertao.

  • 26

    Ofilamento gerado pela extruso do material depositado segundo a trajetria

    de preenchimento das camadas definida na etapa de planejamento do processo.

    Com o preenchimento de uma camada, a plataforma onde o material foi depositado

    deslocada para baixo, o equivalente altura de uma camada, e a fabricao de

    uma nova iniciada, agora sobre o material depositado na camada que a

    antecedeu. Atravs deste processo a pea fabricada, camada a camada, pela

    extruso de um filamento polimrico.Em todos os equipamentos FDM

    comercializados pela Stratasys, o processo ocorre em uma cmara fechada com

    temperatura controlada, gerando um ambiente aquecido temperatura logo abaixo

    da temperatura de amolecimento do polmero. A Figura 2.2 ilustra o funcionamento

    do processo FDM.

    Figura 2.2 - Funcionamento do Cabeote de Extruso da FDM

    Fonte: Adaptado de Ahn et al. (2002).

    Os materiais termoplsticos disponveis comercialmente para serem

    empregados nos equipamentos fabricados pela Stratasys so quatro variaes de

    ABS, incluindo um ABS transparente, um antiesttica e um biocompatvel; duas

    variaes de PC, sendo um biocompatvel; uma blenda PC-ABS; PPSF; e PEI, sob o

    nome comercial de Ultem (STRATASYS, 2011).

    O processo FDM objeto frequente de pesquisas, que incluem a otimizao do

    planejamento de processo, a avaliao das propriedades mecnicas dos modelos, a

    compreenso dos fatores envolvidos com as propriedades dos modelos e a sua

    adaptao para aplicao de novos materiais (AHN et al., 2002; ANITHA et al. 2001;

    BELLINI, 2002; KULKARNI, MARSAN e DUTTA, 2000).

  • 27

    2.4.1 Parmetros de Processamento e Propriedades das Peas

    Fabricadas por FDM

    A estrutura das peas fabricadas por FDM formada pelos filamentos

    depositados e vazios formados devido forma elptica e distncia entre os

    filamentos, chamada de vazio ou gap(KULKARNI, MARSAN e DUTTA, 2000). A

    Figura 2.3 ilustra alguns parmetros de preenchimento das camadas.

    Figura 2.3 - Parmetros de Preenchimentos das Camadas.

    A Figura 2.4, mostra a seo transversal uma pea fabricada por FDM

    empregando uma estratgia de preenchimento tpica: filamentos dispostos

    unidirecionalmente dentro de uma camada e alternados em 90 de uma camada

    para a prxima. A distncia entre dois filamentos adjacentes, neste caso, positiva,

    afastando os filamentos o suficiente para que no haja contato entre eles.

    Segundo Kulkarni, Marsan e Dutta (2000), a rigidez e resistncia da pea esto

    relacionadas extenso das regies de ligao entre filamentos dentro da mesma

    camada e com a camada abaixo e acima dela. A difuso entre os filamentos est

    associada principalmente, s temperaturas de extruso e da cmara de trabalho.

  • 28

    Figura 2.4 - Estrutura Tpica de Pea Fabricada por FDM

    Fonte: Bellini e Geri(2003).

    Vrios estudos foram desenvolvidos procurando caracterizar mecanicamente

    as peas fabricadas por FDM. Rodriguez, Thomas e Renaud (2000) caracterizaram

    a estrutura das peas segundo a densidade de vazios no seu interior. Os autores

    concluram que a densidade de vazios menor quanto menor for a distncia entre

    filamentos adjacentes, ou gap, e quanto maior a largura dos filamentos. A menor

    densidade de vazios mostradana Figura 2.5(a) e foi obtida com filamentos

    interferentes. Nesta amostra, a densidade de vazios foi de 6,8% da rea da seco.

    Comparativamente, a Figura 2.5(b) mostra a estrutura de um pea fabricada

    seminterferncia. No trabalho em questo, a estratgia de preenchimento adotada

    foi de filamentos unidirecionais, tanto internamente s camadas quanto entre elas.

    (a) (b)

    Figura 2.5 - Estruturas com Gap Negativo (a) e Nulo (b)

    Fonte: Rodriguez, Thomas e Renaud(2000).

  • 29

    Posteriormente, Rodriguez, Thomas e Renaud (2001) avaliaram a resistncia

    mecnica de corpos de prova fabricados em ABS segundo diferentes estratgias de

    preenchimento e compararam os resultados com as propriedades do filamento no

    processado, isto , como fornecido pelo fabricante.

    Os resultados evidenciaram a natureza anisotrpica das propriedades

    mecnicas de peas fabricadas por FDM. Os corpos de prova fabricados de forma

    que a solicitao ocorreu longitudinalmente aos filamentos apresentaram maior limite

    de resistncia trao e mdulo de elasticidade do que os corpos solicitados

    transversalmente direo dos filamentos. Comparativamente ao filamento no

    processado, os corpos apresentaram uma perda de resistncia, atribuda pelos

    autores existncia dos vazios na estrutura e perda de orientao molecular com

    a extruso. A Figura 2.6mostra as curvas tenso-deformao dos ensaios de trao

    realizados em corpos de prova fabricados em um equipamento FDM, com os

    filamentos alinhados longitudinalmente e transversalmente aplicao da carga.

    Figura 2.6 - Curvas Tenso-Deformao dos Corpos de ABS

    Fonte: Adaptado de Rodriguez, Thomas e Renaud(2001).

    Guimares (2010), realizou um estudo experimental e computacional do

    comportamento mecnico de peas fabricadas com os filamentos orientados

    bidirecionalmente entre as camadas. Neste estudo o autor conclui ser necessrio

    conhecer e controlar melhor a formao dos vazios e a interface entre os filamentos,

  • 30

    para assim ser possvel prever computacionalmente o comportamento das peas

    fabricadas pelo processo FDM.

    Segundo Bellini, Shor e Geri (2005) a difuso promovida entre os filamentos

    quando expostos prolongadamente alta temperatura, o principal fator influindo

    nas propriedades mecnicas das peas fabricadas por FDM. Quando avaliado um

    filamento isoladamente Bellini e Geri (2003) verificam que a extruso no processo

    FDM no influi significativamente no limite de resistncia trao e no mdulo de

    elasticidade do material, mas h uma reduo de 60% na deformao mxima

    suportada. Os autores realizaram ensaios com o filamento de alimentao da

    mquina e aquele gerado pela extruso atravs do bico. A diferena entre os

    resultados foi atribuda ao estiramento das cadeias do polmero quando este

    extrudado.

    2.5 PROCESSOS DE BAIXO CUSTO BASEADOS EM FD

    Alternativamente aos equipamentos FDMcomerciais, existem alguns

    equipamentos de baixo custo disponveis no mercado para compra ou projetos

    abertos, hardware livre, gratuitos para serem fabricados pessoalmente. Enquanto o

    equipamento mais barato fabricado pela Stratasys, o recm anunciado Mojo, custa

    US$9.900 (STRATASYS, 2012), possvel encontrar mquinas comerciais de baixo

    custo por US$1.300 (BITSFORBYTES, 2011 e MAKERBOT, 2011a) ou ainda

    mquinas de hardware livre, cujo conjunto de peas pode ser comprado por US$600

    para serem montadas ou o projeto pode ser adquirido sem custo e ser fabricado

    pessoalmente (REPRAP, 2011).

    Estes equipamentos empregam um princpio bastante semelhante ao FDM,

    com alimentao do material polimrico em forma de filamentos. A principal

    diferena a simplicidade mecnica e a rea de fabricao ser aberta e sem

    controle de temperatura.

  • 31

    Estes equipamentos fazem parte do esforo de popularizao da manufatura

    aditiva (BITSFORBYTES, 2011; MAKERBOT, 2011a e REPRAP, 2011). Menores

    preos devem, segundo os desenvolvedores e entusiastas, permitir que a AM seja

    popularizada, atraindo maior interesse de pesquisadores e levando ao seu

    amadurecimento at que estas tecnologias possam ser utilizadas to popularmente

    quanto impressoras comuns.A Figura 2.7 mostra alguns destes equipamentos.

    (a) (b) (c)

    Figura 2.7 - Equipamento Bits for Bytes (a), MakerBot (b) e RepRap (c)

    Fonte: Bitsforbytes(2011); Makerbot(2011) e Reprap (2011).

    Os materiais disponveis para aplicao nestes equipamentos so, em geral, o

    ABS e o polilactato (PLA), um polmero biodegradvel feito de milho com baixo fator

    de contrao e transparente (MAKERBOT, 2011b). Outros materiais, como

    polipropileno e polietileno, j foram testados pela comunidade dedicada aplicao

    e desenvolvimento destes equipamentos, sendo at comercializados para aplicao

    na Bits for Bytes. A sua aplicao, no entanto, pouco popular devido ao seu alto

    coeficiente de contrao e menor qualidade da pea fabricada, como ilustra a Figura

    2.8.Segundo Kecman (2009), a contrao demasiada do PP

    acarreta,frequentemente,o empenamento da pea sendo fabricada, mas este

    contornvel pela correta definio dos parmetros e do substrato.

  • 32

    Figura 2.8 Pea de PP (esq.) e ABS (dir.) Fabricadas pela Bits for Bytes

    Fonte: Kecman (2009).

    2.6 PROCESSOS EXPERIMENTAIS BASEADOS EM FD

    O processo FDM devido, provavelmente, sua versatilidade e relativa

    simplicidade do seu princpio, serve de base para o desenvolvimento de uma srie

    de outros processos experimentais.Muitos, so resultados da adaptao para o

    processamento de novos materiais.

    2.6.1 FD com Alimentao em Filamentos

    No Centro de Tecnologia da Informao Renato Archer (CTI), em Campinas, foi

    desenvolvido um cabeote de extruso baseado em FDM para fazer o

    processamento dos biopolmeros PLA e Policaprolactona (PCL), alimentados em

    forma de filamento.Empregando este dispositivo foi feita a anlise da degradao do

    PLA em funo do seu histrico de processamento. A anlise foi feita simulando dois

    momentos, aps a transformao dos grnulos em filamento, para a preparao da

    matria-prima, e aps o reprocessamento e extruso pelo dispositivo Fab@CTI.

    Ficou claro, segundo Fermn et al.(2012), a ocorrncia de degradao, identificada

  • 33

    por uma mudana da massa molecular viscomtrica, com o reprocessamento do

    PLA no dispositivo.

    2.6.2 FD com extruso por Rosca

    Uma soluo comum a uma srie de pesquisadores para a necessidade

    reportada por Bellini (2002) de se ter um sistema de deposio no limitado pela

    alimentao do material em forma de filamento o emprego de uma rosca para

    fazer o processamento do material e gerar a presso para extrud-lo (BELLINI;

    SHOR; GERI, 2005; DOMINGOS et al., 2009; NIXON; TAN, 2007; BRAAKER et

    al., 2010).

    Bellini (2002) avaliou a viabilidade de empregar um equipamento FDM

    modificado para fabricar modelos cermicos, processo denominado Fuso e

    Deposio de Cermicos (FDC Fused Deposition of Ceramics), a partir de um

    filamento de material termoplstico com cargas de p cermico. Neste trabalho, a

    autora aponta o uso da matria-prima em forma de filamento como o principal

    problema da adoo deste processo. Ainda, segundo a autora, a contrapresso

    gerada pela geometria do canal de extruso pode acarretar problemas como a

    flambagem do filamento na entrada do sistema de aquecimento. A Figura 2.9 ilustra

    a ocorrncia da flambagem no processo FDM. Na FDC este fenmeno limita a

    proporo de carga cermica misturada ao filamento termoplstico, pois, esta torna

    o filamento menos resistente flambagem (ibid.).

    Como soluo para estes problemas a autora desenvolveu e testou

    preliminarmente uma miniextrusora que faz o processamento de material granulado

    empregando uma rosca de extruso. Este processo foi denominado Mini Extruder

    Deposition (MED). Concluindo o trabalho, Bellini (2002) aponta a necessidade de

    desenvolver sistemas de deposio que reduzam os problemas associados

    alimentao em forma de filamento, pois, segundo Venkataraman (2000 apud

    BELLINI; SHOR; GERI, 2005), a principal limitao para a aplicao de novos

  • 34

    materiais no processo FDM a forma como estes so alimentados no equipamento

    (i.e. em forma de filamento).

    Figura 2.9 - Flambagem do Filamento

    Fonte: Adaptado de Bellini (2002).

    Bellini, Shor e Geri (2005) publicaram um estudo analisando a influncia de

    certos parmetros sobre a qualidade mesoestrutural dos modelos cermicos

    fabricados empregando a miniextrusora por rosca concebida anteriormente. A Figura

    2.10mostra o equipamento supracitado.

    Figura 2.10 - Equipamento MED (a) e Detalhe da Rosca de Extruso (b)

    Fonte: Bellini(2002).

    (a) (b)

  • 35

    Neste estudo, os autores analisam a influncia do tamanho dos grnulos,

    temperatura de entrada e sada do material, dimetro do canal do bico extrusor,

    temperatura do ambiente e velocidade de deslocamento do cabeote sobre o

    comportamento do material processado e extrudado. Com os experimentos

    realizados, os autores mostram que o tamanho do gro processado pela rosca tem

    influncia sobre a continuidade do material extrudado. Segundo hiptese levantada

    pelos autores, devido alta razo entre rea / volume, o calor na entrada da rosca

    suficiente para fundir os gros pequenos, causando aglutinao e impedindo a

    alimentao de novos gros. Gros grandes, por outro lado, podem ficar presos na

    rosca, limitando a vazo de material fundido e, eventualmente estancando o seu

    fluxo.

    Nixon e Tan (2007) desenvolveram um cabeote de extruso para ser acoplado

    ao equipamento Fab@Home, para processar o copolmero etilenoacetato de vinila

    (EVA - ethylene vinyl acetate). A Figura 2.11 mostra o cabeote montado no

    equipamento.

    Figura 2.11 - Cabeote Extrusor Desenvolvido para Fab@Home

    Fonte: Nixon e Tan(2007).

  • 36

    Neste equipamento, o material fundido em uma cmara aquecida a

    aproximadamente 123C. O material fundido conduzido por gravidade para o fundo

    da cmara onde uma rosca empregada para transportar o material fundido e gerar

    a presso necessria para extrud-lo atravs de um bico de dimetro de 1mm.

    Devido ao fato da rosca ser apenas o mecanismo de gerao de presso, no

    fazendo o processamento do material, a geometria da mesma bastante

    simplificada. Exceto pela potncia e temperatura gerada pela resistncia empregada

    (parmetros calculados), os parmetros de processamento foram obtidos

    experimentalmente. Os autores no fazem meno a problemas de processamento

    do equipamento desenvolvido, tendo o filamento gerado sido analisado apenas

    qualitativamente. Como concluso do trabalho, o equipamento considerado vivel

    para o processamento de EVA, mas uma investigao quantitativa da qualidade do

    filamento e das peas fabricadas se faz necessria. A Figura 2.12 mostra peas

    fabricadas pelo cabeote desenvolvido por Nixon e Tan (2007).

    Figura 2.12 - Peas Fabricadas em EVA

    Fonte: Nixon e Tan(2007).

    Braaker et al.(2010), motivados pelo potencial aumento de resduos de

    plsticos gerados pela popularizao da AM, desenvolveram um cabeote de

    extruso por rosca para processar plstico reciclado. Os pesquisadores focaram no

    reaproveitamento de garrafas de leite feitas de polietileno de alta densidade (HDPE -

    High-density Polyethylene). A Figura 2.13 (a) mostra um esquema do cabeote para

    ser acoplado a uma equipamento do projeto RepRap.

  • 37

    Neste trabalho, foram analisados os possveis princpios de processamento

    empregados para extrudar materiais. O emprego de um mbolo para gerar a

    presso de extruso foi considerada, mas descartada devido no continuidade da

    alimentao do material, exigindo a parada do processo para realimentao, e

    ineficincia, segundo os autores, do processamento. Este problema provavelmente

    incorreria no aprisionamento de bolhas e, por consequncia, descontinuidade do

    filamento extrudado.

    O princpio adotado para o desenvolvimento do trabalho foi a extruso por

    rosca, pois neste, o material continuamente processado e a rosca faz tambm a

    mistura e homogeneizao do material. A principal desvantagem desta escolha,

    segundo os autores, a complexidade do projeto e fabricao de uma rosca capaz

    de processar satisfatoriamente o material. Para tal, os autores aplicaram uma

    abordagem prtica experimental para o desenvolvimento do equipamento. Nesta,

    uma concepo de equipamento foi desenvolvida, um prottipo foi fabricado e, a

    partir dos resultados experimentais com o equipamento, intervenes foram sendo

    conduzidas. No total, cinco intervenes foram realizadas no projeto da rosca at

    que o equipamento conseguiu processar e extrudar o material. As Figura 2.13 (b) e

    (c) mostram a primeira rosca fabricada para teste e o equipamento montado,

    respectivamente.

    Como resultados do trabalho os autores descrevem o filamento gerado pela

    quinta geometria de rosca testada. Este apresentou variao no dimetro que,

    segundo hiptese dos autores, ocorreu devido inconstncia da presso no colcho

    de material fundido formado aps a rosca. Este fenmeno gerou tambm variao

    na vazo de extruso. O filamento apresentou ainda alterao da sua colorao,

    possivelmente devido queima do material em funo do excesso de calor

    transferido para ele, pelas resistncias ou pela frico do material com as paredes

    do sistema. Ocorreu ainda contaminao do filamento com material metlico, devido

    provavelmente ao desgaste dos componentes. Segundo os autores, o sistema como

    um todo, mostrou-se lento at o incio da extruso, pois o volume de material

    necessrio para preencher todo o sistema muito grande.

    Como concluso do trabalho, Braaker et al. (2010) questionam a adoo da

    rosca como mecanismo de processamento do material, devido principalmente

  • 38

    baixa resistncia mecnica da mesma, como consequncia das dimenses

    reduzidas, e dificuldade de obter um sistema que possa ser acoplado ao

    equipamento RepRap.

    Figura 2.13 - Esquema do Equipamento (a), 1 Rosca Fabricada (b) e Equipamento Montado (c)

    Fonte: Adaptado de Braaker et al.(2010).

    2.6.3 FD com Extruso por mbolo

    Segundo Gibson, Rosen e Stuker (2010) a rea mdica uma das principais

    promotoras de inovao na manufatura aditiva. Este segmento se beneficia da

    possibilidade de gerar solues personalizadas para problemas mdicos baseadas

    em dados especficos do paciente. Em especial a engenharia de tecidos (TE- Tissue

    Engineering) uma das mais promissoras aplicaes da AM. Ainda em carter

    experimental, tecidos e, potencialmente, rgos podem ser fabricados pela

    deposio de clulas vivas, protenas ou outros materiais que permitam a fabricao

    de estruturas para o crescimento de clulas (ibid.).

    (a)

    (c)

    (b)

  • 39

    Segundo Brtolo et al. (2009), processos baseados em FD tm sido

    empregados com sucesso na fabricao dessas estruturas de uma srie de

    materiais, como biocermicos e biopolmeros. O processo FDM convencional, no

    entanto, apresenta a limitao da alimentao do material em forma de filamento, o

    que levou ao desenvolvimento de algumas alternativas para o seu processamento

    (ibid.; WOODFIELD et al., 2004).

    Woodfield et al. (2004) desenvolveram um dispositivo para extrudar um

    copolmero que consiste de uma seringa de ao inoxidvel aquecida com

    resistncias at a temperatura de 350C. O material, depositado no interior da

    seringa em forma de gros, fundido e extrudado atravs de uma agulha acoplada

    ao bico. A presso para extrudar o material fundido gerada por um motor de passo

    e controlada usando uma clula de carga. A Figura 2.14 mostra um esquema de

    funcionamento do equipamento desenvolvido por Woodfield et al(2004). Neste

    trabalho, no so fornecidas informaes sobre o processo de definio dos

    parmetros de processamento ou da relao destes parmetros com a qualidade do

    filamento produzido. Os autores apresentam resultados visuais da qualidade do

    filamento e concluem que o equipamento desenvolvido capaz de produzir peas

    satisfatrias pela correta definio do parmetros. A Figura 2.15 mostra estruturas

    fabricadas no trabalho.

    Figura 2.14 - Equipamento Desenvolvido

    Fonte:Adaptado de Woodfield et al. ( 2004).

  • 40

    Figura 2.15 - Estruturas Fabricadas pelo Equipamento

    Fonte: Woodfield et al. (2004).

    O Instituto Politcnico de Leiria em Portugal (DOMINGOS et al., 2009)

    desenvolveu um equipamento denominado BioExtruder para fazer o processamento

    e extruso de Policaprolactona, um polmero biocompatvel e biodegradvel, a 70C.

    O equipamento possui dois sistemas de deposio. Um deles um dispositivo

    rotativo, Figura 2.16 (a), com quatro reservatrios que podem ser alternados para

    extrudar diferentes materiais no qual a extruso do material feita pela atuao de

    um mbolo pneumtico. O outro sistema consiste de uma rosca de extruso, Figura

    2.16 (b), que faz o processamento do material e gera a presso de extruso.

    Foram encontradas poucas informaes sobre estes equipamentos ou sobre a

    qualidade dos filamentos fabricados. As pesquisas publicadas so geralmente

    focadas em questes biolgicas do processo, fazendo pouca meno detalhes do

    equipamento, do processamento ou qualidade mecnica do filamento. Numa

    anlise visual, as peas produzidas pelos equipamentos apresentam boa qualidade

    e continuidade do filamento. Os autores tambm no fazem meno a problemas de

    processamento. As Figura 2.17 (a) e (b) mostram peas fabricadas pelo

    equipamento com rosca e a Figura 2.17 (c) detalhes dos filamentos de 0,3mm de

    dimetro.

  • 41

    Figura 2.16 - Sistema Rotativo Pneumtico (a) e com Rosca (b)

    Fonte: Domingos et al.(2009).

    Figura 2.17 - Peas Feitas pela Bioextruder (a) e (b) e Detalhe dos Filamentos (c)

    Fonte: Domingos et al. (2009).

    Lu et al. (2009) desenvolveram um equipamento para fazer a extruso de uma

    mistura de p cermico com um ligante termoplstico e solvente. Esta mistura

    formou uma pasta extrudvel temperatura ambiente. O equipamento supracitado

    possui um cabeote extrusor que consiste em seringas de ao inoxidvel cujo

    mbolo acionado por motores de passo e o bico adaptado de um equipamento

    de corte por jato dgua. A presso de extruso medida empregando uma clula

    de carga acoplada haste do mbolo. Figura 2.18 mostra este equipamento.

    (a) (b)

    (a) (b) (c)

  • 42

    Figura 2.18 - Equipamento Desenvolvido por Lu et al.

    Fonte: adaptado de Lu et al. (2009).

    Os autores analisaram os efeitos da velocidade de deslocamento do mbolo

    sobre a presso de extruso e mostram que a mesma diminui a medida que o

    volume de material contido na seringa diminui. Isto, no entanto, no constituiu um

    problema na qualidade do filamento extrudado uma vez que uma velocidade de

    extruso tima foi definida. Como uma das concluses, Lu et al. (2009) apontam a

    necessidade de fazer um sistema de deposio capaz de extrudar intermitentemente

    e com isto construir geometrias de maior complexidade. Os autores sugerem o

    emprego de um bico valvulado para fazer este controle.

    No Brasil alguns trabalhos tambm foram feitos. Motivado pela necessidade de

    tornar os equipamentos de AM baseados em FD ainda mais acessveis, Lira (2008)

    desenvolveu pela Escola Politcnica da USP um cabeote de extruso a

    temperatura ambiente para processar um compsito de complexo de carboidrato. O

    trabalho de pesquisa se dedicou principalmente a avaliar a manuteno da forma da

    pea fabricada, pois, aps a extruso, o material leva 24 horas para se tornar rgido

    e permitir o manuseio.

  • 43

    2.7 POLMEROS COMO MATERIAIS PARA PROCESSOS

    BASEADOS EM FD

    Conforme visto no levantamento do estado da arte, h um forte apelo dos

    processos baseados em FD para a variedade dos materiais processveis. Na

    maioria dos equipamentos so empregados polmeros convencionais, como ABS,

    mas em carter experimental so empregados tambm biopolmeros e pastas

    cermicas. Este trabalho foi desenvolvido prevendo o emprego de polmeros

    convencionais.

    Segundo Canevarolo (2002), polmeros so macromolculas de alto peso

    molecular cujas cadeias so formadas pela associao de unidades de repetio,

    denominadas meros. Vrias propriedades fsico-qumicas dos polmeros so

    influenciadas pelo peso molecular (PM), como mostra a Figura 2.19. As ligaes

    intermoleculares tm energia de ligao muito maior que as ligaes

    intramoleculares, entre segmentos de cadeias adjacentes, e so,portanto, mais

    difceis de serem deslocadas ou quebradas. Quanto maiores as molculas, maior a

    participao das ligaes intermoleculares na manuteno da estrutura molecular do

    polmero.

    Figura 2.19 - Relao da Massa Molecular com Algumas Propriedades dos Polmeros: a = mdulo elstico, b = resistncia trao e c = dureza

    Fonte: Adaptado de Manrich (2005).

  • 44

    2.7.1 Reologia do Polmero Fundido

    Os polmeros fundidos so totalmente amorfos, pois, as macromolculas no

    apresentam qualquer organizao. Estas tendem a adotar com o tempo uma

    conformao aleatria de menor energia, semelhante a um novelo, respeitando as

    restries impostas pelos elementos que constituem sua cadeia. A Figura 2.20

    ilustra o estado de conformao aleatria ou em novelo e as restries de ngulo de

    ligao, ngulo de rotao e distncia de ligao de uma cadeia carbnica.

    Figura 2.20 - Conformao Aleatria e Restries da Estrutura de uma Cadeia Carbnica

    Fonte: Adaptado de Canevarolo(2002).

    Segundo Bretas e dvila (2005), quando a massa polimrica fundida

    submetida a um fluxo de presso atravs de um tubo, como o que acontece em um

    remetro capilar, e h variao da seo transversal, surgem gradientes

    elongacionais. A reduo da seo do tubo para o capilar gera aumento na

    velocidade do fludo, fazendo com que uma parcela posterior de material, que est

    numa seo menor, se desloque mais rapidamente que uma poro anterior, numa

    seo maior. Em macromolculas de alto peso molecular o efeito deste gradiente de

    velocidade a elongao ou estiramento da cadeia, orientando-a na direo do

    fluxo. A Figura 2.21 ilustra a ocorrncia do estiramento na entrada de um capilar.

  • 45

    Figura 2.21 - Estiramento das Macromolculas na Entrada do Capilar

    Fonte: Adaptado de Bretas e d'vila (2005).

    2.7.2 Processamento

    O mtodo convencional de processamento de polmeros atravs de rosca.

    Este elemento, ilustrado na Figura 2.22, faz o transporte, processamento, mistura,

    homogeneizao e,s vezes, em processos contnuos, gera a presso para extrudar

    o material fundido(MANRICH, 2005).

    Figura 2.22 - Rosca de Processamento de Polmeros

    As roscas so necessrias em processos que exigem alta eficincia do

    processamento e/ou continuidade. Estes justificam o alto empenho de recursos para

    o seu projeto e fabricao.Em processos discretos, como a injeo, a rosca no gera

    a presso para injetar o material, mas atua como mbolo, empurrando o material

    processado numa etapa anterior.

  • 46

    Em equipamentos como o remetro capilar, o material extrudado pela

    atuao de um mbolo.Ao invs, simplesmente colocado em um recipiente

    aquecido onde se funde. No h nestes equipamentos um elemento dedicado

    mistura e homogeneizao da massa fundida (BRETAS e DVILA, 2005). A Figura

    2.23 mostra o esquema de funcionamento de um remetro capilar.

    Figura 2.23 - Esquema de Funcionamento de Remetro Capilar

    Fonte: Adaptado de Bretas e d'vila(2005).

    2.7.3 Fenmenos Observados na Extruso

    Segundo Bretas e dvila (2005) quando os polmeros so extrudados, em uma

    extrusora ou em remetro capilar, atravs de um canal estreito, ocorrem alguns

    fenmenos no material. O inchamento do extrudado caracterizado pelo aumento

    da rea da seo transversal do material em relao rea do canal que o extrudou.

    Quando cessa a atuao das tenses cisalhantes que mantm as macromolculas

    estiradas no interior do canal, a cadeia polimrica tende a retornar ao seu estado de

    conformao aleatria de equilbrio. Isto gera encolhimento longitudinal e

  • 47

    inchamento transversal. A Figura 2.24 ilustra a ocorrncia do inchamento do

    extrudado.

    Figura 2.24 - Inchamento do Extrudado

    Fonte: Adaptado de Bretas e d'vila(2005).

    O inchamento do extrudado definido como a razo entre o dimetro do

    extrudado aps o reemaranhamento e o dimetro do canal. Uma srie de relaes

    descreve o comportamento do material extrudado e o seu inchamento. Esteaumenta

    com o aumento da taxa de cisalhamento. Isto ocorre at certo limite, denominado

    taxa de cisalhamento crtica, aps este o inchamento diminui. A uma taxa fixa, o

    aumento da temperatura diminui Be, mas o seu valor mximo aumenta, como

    mostrado na Figura 2.25.

    Figura 2.25 - Inchamento do Extrudado em Funo da Taxa de Cisalhamento a Diferentes Temperaturas

    Fonte: Adaptado de Bretas e d'vila (2005).

  • 48

    De acordo com Bretas e dvila (2005) a uma taxa de cisalhamento fixa, o

    inchamento decresce com o comprimento do canal e o tempo de permanncia neste,

    mas aumenta com o aumento da razo entre dimetro do cilindro, onde contida a

    massa fundida, e do canal por onde extrudado.

    Outro fenmeno ocorrido com o extrudado a fratura do fundido, caracterizada

    pela formao de um extrudado geometricamente irregular, mas no

    necessariamente implicando na sua ruptura ou descontinuidade. A Figura 2.26

    ilustra dois tipos de fratura.

    Figura 2.26 - Fratura do Fundido

    Fonte: Adaptado de Bretas e d'vila (2005).

    A fratura do fundido ocorre quando superada a taxa de cisalhamento crtica

    do material, que aumenta com a temperatura e com o aumento da razo entre

    comprimento e dimetro do canal de extruso. A origem deste fenmeno atribuda

    interao do polmero fundido com a parede do capilar, que, sob certas condies,

    gera turbulncia no extrudado. Nesta interao h influncia do material da parede

    do canal e da adeso parede-polmero e do peso molecular. Supe-se que a

    macromolcula se adere parede do canal e tensionada devido ao

    emaranhamento com outras molculas, segurando-as e gerando arraste e

    possivelmente turbulncia. A fora de arraste seria dependente do nmero de

    pontos de contato da macromolcula com a parede, ou seja, do seu peso molecular.

    (BRETAS; DVILA, 2005)

    Um defeito denominado de pele de cao se caracteriza pela formao de

    irregularidades na superfcie do extrudado perpendiculares direo do fluxo. um

  • 49

    defeito menos severo que a fratura do fundido, pois, no afeta a integridade do

    material, apenas sua qualidade superficial. A pele de cao ocorre a taxas de

    cisalhamento menores e depende da temperatura de extruso, diminuindo com o

    decrscimo desta. O aumento do peso molecular reduz a incidncia e severidade

    deste fenmeno.

    2.7.4 Degradao

    Segundo Bretas e dvila (2005), a degradao um conjunto de reaes que

    envolvem a quebra de ligaes primrias da cadeia principal ou de grupos laterais.

    Desta quebra resultam espcies reativas, geralmente radicais livres, que propagaro

    o processo de degradao formando outros tipos de ligaes. Como consequncia

    h mudana da estrutura qumica e do peso molecular. Estas alteraes,

    geralmente, implicam na mudana das propriedades fsico-qumicas do polmero. A

    iniciao do processo de degradao, i.e. a quebra das ligaes, envolve o

    fornecimento de energia molcula, o que pode ser feito por meio de calor, luz,

    tenso mecnica, ataque qumico ou biolgico, entre outras formas. No

    processamento de polmeros por extrusoalguns dos agentes de degradao so

    trmicos, mecnicos e qumicos.

    Mecanismos de Degradao

    Segundo Coaquira (2004) e Di Paoli (2008) a degradao mecnica se refere

    ciso da cadeia ocasionada pela atuao de algum agente mecnico e pode ocorrer

    no estado slido ou fundido do material. O tempo pelo qual o polmero sujeito

    solicitao determina a probabilidade de ocorrer degradao. O aumento da

    temperatura reduz a degradao mecnica, pois, reduz a viscosidade e com isso as

    tenses para que ocorra deformao.

  • 50

    A estrutura fsico-qumica do polmero influi sobre a degradao mecnica. As

    ligaes inter e intramoleculares, que restringem a movimentao das cadeias,

    aumentam a rigidez da estrutura polimrica e a probabilidade de ocorrer a ciso.

    Sem estas restries as cadeias poderiam se estirar livremente, permitindo grandes

    alongamentos e deformaes, evitando a quebra das ligaes primrias e ruptura da

    cadeia principal(DI PAOLI, 2008).

    A degradao trmica acentuada quando os grupos lateraisdas molculas se

    separam da cadeia principal e so formados radicais livres que aceleram o processo

    de degradao. Isto ocorre em pequena intensidade temperatura ambiente, mas

    torna-se muito importante durante o processamento.

    A oxidao um tipo de degradao muito comum nos polmeros e se inicia,

    geralmente, por processos trmicos, intensificados durante o processamento. Nestes

    se formam radicais livres que so atacados por oxignio, alterando a estrutura do

    polmero e podendo desencadear o rompimento da cadeia (ibid).

    Mtodos de Avaliao da Degradao

    Coaquira (2004), fez a avaliao da degradao de polipropileno e poliestireno

    empregandoquatro tcnicas de caracterizao. Atravs da medida do ndice de

    fluidez em um plastmero e da sua reduo ou incremento, o autor avaliou se o

    processo degradativo dominante foi de ciso da cadeia ou formaode ramificaes

    e ligaes cruzadas. Atravs de reometria capilar foi definido o comportamento

    viscomtrico do polmero e este foi associado distribuio da massa molecular,

    propriedade alterada com a degradao. A espectroscopia no infravermelho foi

    empregada para obter-se o espectro de absoro do material. Com este foi

    mensurado o ndice de carbonilas de cada amostra, um parmetro de avaliao da

    degradao do polipropileno. Atravs de cromatografia de excluso por tamanhos

    foram obtidas as distribuies da massa molecular de cada amostra. Estas foram

    comparadas uma referncia no degradada e as diferenas serviram como

    parmetro de avaliao da degradao.

    A tcnica de anlise via espectroscopia no infravermelho com aplicao da

    transformada de Fourier um mtodo qualitativo para conhecer a composio dos

  • 51

    materiais. Atravs da anlise das bandas de absoro do espectro e associao

    com seu respectivo grupo funcional, possvel determinar a estrutura do material.

    Nos processos de degradao ocorre a quebra de ligaes entre tomos e a

    formao de novos compostos, percebidos pelo surgimento de uma novo pico no

    espectro (COAQUIRA, 2004).

    2.7.5 Polipropileno

    O polipropileno (PP) um dos polmeros mais empregados na indstria de

    processamento de plsticos, atrs somente do polietileno. Juntos representam mais

    da metade do polmero produzido no mundo(FRIED, 2003; CANEVAROLO, 2002). A

    popularidade deste polmero se deve proximidade, com aditivao, de suas

    propriedades com os plsticos de engenharia associado ao seu baixo custo

    (MANRICH, 2005).

    A Figura 2.27 mostra a unidade de repetio, ou mero, do polipropileno

    homopolmero.

    Figura 2.27 - Frmula do Polipropileno

    Fonte: Fried (2003).

    O PP apresenta cadeia carbnica com grupos laterais metila (FRIED, 2003). O

    tipo mais comum apresenta no estado slido alta cristalinidade e a cadeia adota a

    conformao espiral graas presena dos grupos laterais dispostos de forma

    isottica. A Figura 2.28 ilustra a conformao em espiral adotada pelas cadeias de

    polipropileno isottico na fase cristalina.

  • 52

    Figura 2.28 - Conformao em Espiral da Fase Cristalina do Polipropileno Isottico Homopolmero

    Fonte: Adaptado de Canevarolo(2002).

    A Tabela 2.1 mostra algumas propriedades do polipropileno homopolmero

    isottico H301 produzido pela Braskem e utilizado neste trabalho em todos os

    experimentos.

    Tabela 2.1 - Propriedades do Polipropileno H301 da Braskem

    Fonte: Braskem (2010).

    Segundo o banco de dados de materiais Matweb (2012) o coeficiente de

    contrao do PP, genericamente, 1,49.

  • 53

    2.8 CONSIDERAES SOBRE A LITERATURA

    Como visto no levantamento do estado da arte, as mquinas comerciais

    baseadas em FD empregam alimentao em forma de filamento. Os trabalhos de

    pesquisa e desenvolvimento sobre processos baseados em FD com alimentao

    granulada se dedicam, principalmente, aplicao de materiais cermicos e

    biopolmeros. queles dedicados aplicao de polmeros convencionais

    granulados, tais como PP ou ABS, se restringem aos trabalhos de entusiastas da

    AM, desenvolvidos sem o rigor necessrio garantia do resultado e concluses.

    Quanto aplicao de PP, apenas um caso de aplicao foi encontrado, mas este

    se restringe um relato por meio de fotos e comentrios breves, permanecendo a

    necessidade de uma comprovao mais rigorosa. Faz-se necessrio ento um

    estudo mais rigoroso para o conhecimento dos fatores envolvidos com a aplicao

    de matria-prima granulada para AM.

  • 54

    3 DESENVOLVIMENTO DO CABEOTE DE EXTRUSO

    Este captulo aborda a etapa de desenvolvimento de um cabeote extrusor

    para fazer o processamento de polipropileno granulado empregando mbolo. So

    descritos os requisitos das trs concepes bsicas de cilindro de extruso usadas

    ao longo do trabalho e, apresentada em detalhes, a concepo definitiva. So

    apresentados o cabeote de extruso seus elementos e mecanismos.

    3.1 REQUISITOS PARA AM

    Com base na identificao do problema, justificativa e objetivos descritos no

    Captulo 1 e o levantamento do estado da arte foram elencados os requisitos

    bsicos para balizar o projeto do cabeote de extruso. Os itens listados na Tabela

    3.1 so requisitos bsicos para a viabilidade da aplicao do cabeote para AM.

    Este trabalho se focou nos itens 1 a 4.

    Tabela 3.1 Requisitos Bsicos de Projeto para Cabeote de Extruso

  • 55

    3.2 CONCEPO 1 - TESTES PRELIMINARES

    A primeira etapa do desenvolvimento deste trabalho consistiu na escolha de

    um princpio de funcionamento para ser aplicado ao equipamento prottipo a ser

    desenvolvido. O levantamento do estado da arte realizado, mostrou duas

    alternativas de princpios aplicveis ao processamento de polmero granulado, por

    rosca e por mbolo.

    Equipamentos, como injetoras e extrusoras tradicionais, empregam roscas de

    dimenses incompatveis para o propsito deste trabalho. A miniaturizao

    possvel at certos limites, principalmente de resistncia mecnica e compatibilidade

    da rosca com o tamanho do granulado. Outros equipamentos que empregam roscas

    de menor porte, como extrusoras de laboratrio e extrusoras manuais para

    soldagem de plsticos, foram pesquisados, mas nenhuma destas alternativas foi

    considerada vivel, devido ao custo. Nos processos experimentais de manufatura

    aditiva descritos no Captulo 2, o emprego de rosca para processar o material

    justificado pelos autores pela necessidade de continuidade na gerao do filamento.

    Estes trabalhos no deram grande ateno para a eficincia de processamento do

    material, o que se reflete no projeto pouco rigoroso destes elementos.

    Diante da perspectiva de realizar o processamento do material da maneira

    mais simples, foi decidido dedicar este trabalho ao desenvolvimento de um

    equipamento empregando extruso por mbolo com alimentao granulada e sem

    nenhum elemento dedicado homogeneizao e mistura da massa fundida. Este

    princpio aplicado remetros capilares. Alm da simplicidade mecnica, o

    controle do processo mais fcil.

    Para verificar o requisito essencial dos processos baseados em FD, fundir o

    material e transform-lo em um filamento, foram realizados testes aplicando o

    princpio de extruso por mbolo. Estes testes tiveram como objetivo verificar a

    viabilidade do princpio de processamento na gerao de um filamento contnuo,

    pois, havia a preocupao de ocorrer interrupo no fluxo de material devido ao

    aprisionamento do ar alimentado junto com os gro de plstico.

  • 56

    Para a realizao deste teste foi fabricado o dispositivo ilustrado na Figura 3.1.

    O teste consistiu em fundir polipropileno homopolmero granulado no interior de um

    cilindro de alumnio aquecido por uma resistncia eltrica de 70 W e o extrudar

    atravs de um furo pela atuao de uma massa de aproximadamente 5 kg. Um bico

    de extruso de 0,4 mm do equipamento FDM 2000 foi adaptado para gerar o

    filamento. A Figura 3.2 mostra os componentes do dispositivo referido e ilustrado na

    Figura 3.1, considerado a primeira concepo de cilindro de extruso empregada

    neste trabalho.

    Figura 3.1 - Dispositivo de Teste de Extruso

    Figura 3.2 - Componentes do Dispositivo de Testes

  • 57

    Para a constatao da existncia ou no de defeitos de extruso foram

    gerados, em queda livre, sete filamentos de aproximadamente 30 cm, o primeiro

    imediatamente aps a alimentao e os demais com intervalos de 10 minutos. Um

    filamento ininterrupto por aproximadamente 12 minutos tambm foi gerado para

    verificao da continuidade. A avaliao destes filamentos foi feita de forma

    qualitativa utilizando um microscpio Olympus BX51M, com ampliao de 50x. Foi

    avaliada a ocorrncia de defeitos, como descontinuidades ou heterogeneidades no

    filamento. A temperatura de processamento foi de 200C.

    As amostras de 300 mm geradas com intervalo de 10 minutos e o filamento

    contnuo por 12 minutos de extruso no apresentou descontinuidades. No foram

    observadas bolhas no interior dos filamentos ou interrupes da extruso devido ao

    aprisionamento de ar no interior da massa fundida ou entupimento do bico.

    Os resultados deste teste verificaram os requisitos 1 e 2 da Tabela 3.1, isto , a

    fuso dos gros e a formao contnua do filamento o princpio de extruso

    pormbolo com alimentao granulada foi considerado plausvel para aplicao em

    manufatura aditiva.

    3.3 CONCEPO 2 - DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE

    EXTRUSO

    Uma das principais preocupaes no projeto do cilindro foi o tempo de

    permanncia do material acima da temperatura de fuso (Tm). A fim de minimizar a

    degradao do polmero durante o processamento, o cilindro foi projetado para gerar

    um gradiente trmico planejado. Mantendo a temperatura do material na

    extremidade inferior do cilindro acima da temperatura de fuso, enquanto na parte

    superior deveria permanecer abaixo de Tm e a menor possvel. Algumas alternativas

    de solues para estes requisitos foram estudadas, incluindo tipos e potncias de

    resistncias eltricas, geometrias do cilindro e formas de dissipao de calor. A

  • 58

    Figura 3.3 ilustra esquematicamente o funcionamento pretendido do sistema

    extrusor.

    Figura 3.3 - Ilustrao do funcionamento pretendido do sistema extrusor.

    3.3.1 Avaliao de Concepes por Simulao Trmica

    Com base no conhecimento de conduo e dissipao de calor, descrito por

    Incropera et al. (2008), foram concebidas duas verses bsicas de cilindro

    empregando diferentes formas de alcanar o gradiente trmico pretendido. Uma

    atuando sobre a dissipao de calor, empregando aletas, e a outra sobre a

    conduo, com paredes finas. Foram feitas simulaes trmicas utilizando o

    programa Pro Engineer 4.0 para avaliar a eficincia de cada concepo

    considerando como material de fabricao do cilindro o alumnio. A Figura 3.4 ilustra

    as duas concepes avaliadas e a Tabela 3.2 mostra os parmetros das simulaes.

  • 59

    (a) (b)

    Figura 3.4 - Concepes Avaliadas por Simulao: (a) com Aletas e (b) com Parede Fina.

    Tabela 3.2 - Parmetros das Simulaes Trmicas

    Parmetro Valor Unidade

    Temperatura ambiente 20 C

    Temperatura da fonte de calor 180 C

    Potncia da fonte de calor 35 W

    Coeficiente de conveco 60 W/(m K)

    A Figura 3.5 os resultados da simulao com ambas as concepes avaliadas.

  • 60

    (a) (b)

    Figura 3.5Resultados da Simulao no Cilindro com Aletas (a) e de Parede Fina(b).

    As concepes aletadas se mostraram pouco eficientes em comparao de

    parede fina. Enquanto as aletas implicaram numa diferena de 46 C entre as

    extremidades, a concepo de parede fina apresentou uma diferena de 112C.O

    cilindro da concepo de paredes finas gerou maior gradiente de temperatura, sendo

    ento escolhida para emprego no projeto do cabeote.

    3.3.2 Clculo da Eficincia Trmica da Concepo 2 Variando a

    Espessura da Parede

    A eficincia trmica terica da concepo 2 foi comparada com a de um cilindro

    com paredes grossas de dimetro externo de 40 mm, empregado nas etapas

    experimentais como cilindro de comparao (ver seo 3.3). Ambos possuem o

    mesmo raio interno, porm, diferem quanto ao raio externo e, consequentemente, ao

    comportamento trmico. Considerou-se a comparao da concepo desenvolvida

    (Figura 3.6) com a de um cilindro de parede grossa, pois, por ser mais simples esta

    seria provavelmente a forma empregada se no houvesse a preocupao com a

  • 61

    degradao do material. O dimetro de 40 mm foi definido com base na resistncia

    disponvel para fazer o seu aquecimento.

    Considerou-se para simplificao, que o problema trata de um cilindro oco com

    fluxo de fluidos a diferentes temperaturas em suas superfcies externas e internas.

    Tambm se tem como hiptese o problema estar em regime estacionrio, a direo

    de calor ser unidimensional na direo radial, resistncia trmica da parede do tubo

    desprezvel e troca trmica por radiao desconsiderada. Com base na teoria de

    transferncia de calor em elementos cilndricos, descrita por Incropera et. al. (2008),

    chegou-se s seguintes equao para a taxa de transferncia de calor por conduo

    para as duas concepes de cilindro sendo comparadas.

    Equao 1

    Equao 2

    onde qf e qg se referem taxa de transferncia de calor por conduo em [W]

    do cilindro fino (concepo 2) e grosso (concepo 3), respectivamente. L o

    comprimento do cilindro em [m], k o coeficiente de condutividade trmica, Ti a

    temperatura na parede interna do cilindro, Te a temperatura na parede externa do

    cilindro, ri o raio interno do cilindro, reg o raio externo do cilindro de parde grossa

    ref o raio externo do cilindro de parede fina.O nico elemento que se altera entre as

    duas equaes o raio externo (i.e. ref, para o cilindro de parede fina e rem, para o de

    paredes grossa). Relacionado as duas equaes:

    Equao 3

  • 62

    Substituindo os valores dos raios de cada cilindro na Eq. 3 foram obtidas para a

    eficincia de conduo a razo:

    = 14,545

    Outro componente do estudo de eficincia trmica do cilindro proposto a

    eficincia de conveco. No caso estudado, a conveco natural (i.e. no forada)

    e considera-se o mesmo coeficiente h para ambos os cilindros, j que ele depende

    do escoamento do fluido (ar) e da geometria da pea, que para o caso dos cilindros,

    a diferena entre eles seria de muito pouca influncia sobre este parmetro. A nica

    varivel, na prtica, diferente entre o cilindro proposto fino e um macio a rea de

    contato com ar. Dessa forma relaciona-se as duas concepes de transferncia de

    calor por conveco e tem-se:

    Equao 4

    onde qf e qg se referem taxa de transferncia de calor por conveco em

    [W] do cilindro fino (concepo 2) e grosso (concepo 3), respectivamente.hct o

    coeficiente de transferncia de calor por conveco, Tc a temperatura da superfcie

    do cilindro e Tar atemperatura da superfcie do fluido. Para a eficincia de

    conveco, aplicando os valores conhecidos na Eq. 4 e efetuando as operaes.

    = 3,6

  • 63

    A partir destes resultados concluiu-se que o cilindro proposto, de parede fina, ,

    conduz 14,5 vezes menos calor do que um cilindro macio. Na conveco o cilindro

    fino transfere 3,6 vezes menos calor para o meio. Esses valores confirmam a melhor

    resposta do cilindro proposto em relao ao requisitos do projeto.

    As paredes com espessura reduzida fazem com que haja pouca conduo de

    calor e permitem, mesmo com baixa conveco, o seu resfriamento de forma mais

    eficiente.

    3.3.3 Fabricao

    A Figura 3.6 traz o desenho detalhado do cilindro com a geometria definitiva

    empregada nos testes de extruso, denominada Concepo 2.

    Figura 3.6 - Desenho Detalhado da Concepo 2.

    O cilindro da concepo 2, foi fabricado por torneamento convencional em

    alumnio. Em especial o furo de dimetro 10 mm foi acabado com alargador, uma

    folga de 0,1 mm entre o furo e o mbolo foi mantidae o furo de 0,4 mm foi usinado

  • 64

    com uma broca instalada em um mandril de fechamento em zero e a pea instalada

    no torno.

    Este valor de dimetro do furo foi definido com base nos bicos aplicados aos

    equipamentos comerciais fabricadas pela empresa Stratasys, sendo que o bico com

    0,4 mm o maior entre os disponveis.

    Nos testes, descritos na Seo 3.1, foi visto que o ar quente em torno da

    resistncia poderia afetar negativamente o material polimrico extrudado. A aleta na

    extremidade inferior tem a funo de conter a irradiao de calor da resistncia.

    3.4 CONCEPO 3 CILINDRO DE COMPARAO

    Para se ter uma referencia comparativa, foi produzida uma terceira concepo,

    com a parede grossa. Este cilindro teve como objetivo servir de referncia para os

    estudos de degradao,descritos na Seo 4.4, e foi concebido de forma a fundir

    toda a matria-prima alimentada. A Figura 3.7 mostra o desenho detalhado do

    cilindro de concepo 3 com parede grossa.

    Figura 3.7Desenho Detalhado da Concepo 3

  • 65

    3.5 CABEOTE DE EXTRUSO

    Para dar continuidade verificao dos requisitos de projeto descritos na

    Tabela 3.1, e permitir o controle e automao do processo de extruso foi

    desenvolvidoo dispositivo ilustrado na Figura 3.8.

    Figura 3.8 - Cabeote Extrusor

    3.5.1 Sistema Motor

    O sistema motor consiste nos componentes responsveis por fazer a

    movimentao do mbolo e, assim, gerar a presso necessria para extrudar o

    material fundido.

    A principal limitao para o projeto do sistema motor foi a baixa velocidade de

    deslocamento do mbolo (Ve) necessria para gerar a vazo de extruso planejada.

    O processo de projeto do sistema motor teve incio com a definio da velocidade de

    deslocamento do cabeote (Vd). A princpio alimentados com uma fonte de 12V, os

    motores responsveis por movimentar o cabeote segundo os eixos x e y permitiram

  • 66

    o emprego de uma velocidade de em torno de 3 mm/s. Para haver manuteno da

    rea da seo transversal do filamento, ou seja, este no esticar ou alargar, a

    velocidade de extruso do filamento (Vf) foi definida como igual Vd.

    Para fazer o projeto do sistema motor as relaes entre a velocidade de

    extruso, a velocidade do mbolo e a frequncia de acionamento do motor de passo

    tiveram que ser deduzidas. Isto foi feito partindo da relao entre a Vf e Ve.

    Aplicando o princpio da conservao da massa ao caso e considerando a massa no

    interior do cilindro incompressvel, tem-se a Equao 5.

    Equao 5

    onde, Ve refere velocidade de deslocamento do mbolo em [mm/s]; Af rea

    do furo de sada em mm; Vf velocidade de extruso em [mm/s]; e Ae rea da

    seo transversal do mbolo em [mm]. A considerao da massa no interior do

    cilindro como sendo um fluido incompressvel foi feita para efeito de simplificao do

    projeto.

    Aplicando os valores conhecidos do sistema extrusor na Eq. 6 foi obtido o valor

    de 0,005 [mm/s] para a Ve. Este valor foi a principal especificao de projeto do

    sistema motor e com base nele as concepes de sistemas motores foram

    avaliadas.

    Algumas alternativas avaliadas incluem combinaes do emprego de motores

    de passo, micromotores, engrenagens, polias sincronizadoras, redutores planetrios,

    fusos e cremalheiras. Para todas as alternativas foram definidas as relaes que

    associam a velocidade do mbolo com a forma de acionamento, mas neste

    documento ser descrita apenas a concepo empregada definitivamente, isto ,

    fuso acionado por motor de passo e redutor planetrio, como ilustrado na Figura 3.8.

    As demais foram descartadas por no serem capazes de satisfazer especificao

    meta de velocidade do mbolo.

  • 67

    Com base na observao do sistema motor ilustrado na Figura 3.8, composto

    por um motor Akiyama AK57H-3G20-1.8 com redutor de 1:20 e fuso com passo de

    2mm, e seus parmetros de controle foi deduzida a Equao 6.

    Equao 6

    onde, f refere frequncia de acionamento do motor de passo em hertz [Hz];

    ppr resoluo do motor de passo em pulsos por revoluo [ppr]; i taxa de

    reduo do redutor; r resoluo do driver de micro passos; e pf ao passo do fuso

    em milmetros por revoluo [mm/rev].

    Substituindo a Eq. 5 na Eq. 6 e aplicando os valores das constantes com base

    nos componentes encontrados no mercado tem-se como resultado a relao

    Equao 7

    Com o sistema motor empregado, a frequncia de pulsos do motor de passo

    para gerar a velocidade de 3 mm/s foi de aproximadamente 400 pulsos por segundo

    [Hz]. Esta frequncia foi considerada como sendo razovel para aplicao.

    3.5.2 Sistema de Controle do Cabeote

    O cabeote apresenta dois elementos controlados eletronicamente. No sistema

    de extruso o aquecimento da resistncia controlado por um controlador PID de

    temperatura, modelo N1040 da Novus. A leitura da temperatura feita por um

    termopar tipo K, modelo MTK-01 da Minipa. A Tabela 3 expe os parmetros PID

    configurados no controlador e a Figura 3.9 ilustra o posicionamento dos

    componentes do sistema de controle.

  • 68

    Tabela 3.3- Parmetros PID do Controlador

    Parmetro Valor

    Proporcional 11.9

    Integral 1.01

    Derivativo 9.9

    Figura 3.9 Sistema de Controle da Temperatura

    Uma placa Arduno Duemilanove faz o controle de pulsos enviados ao driver de

    controle do motor, modelo AKDMP5-3.5A da Akiyama. Neste, o arduno recebe um

    sinal do programa EMC2 atravs de pinos pr-estabelecidos quando um comando

    de ligar, em sentido horrio ou anti-horrio, ou desligar lido do cdigo G de

    controle. Quando o sinal recebido o arduno envia para o driver do motor de passo

    pulsos numa frequncia definida no programa, permitindo o controle da velocidade

    de rotao do motor. A frequncia dos pulsos enviados ao driver definida pelo

    perodo entre cada pulso, valor definido pelo usurio no programa em [s]. A

    Equao 8 relaciona estes parmetros.

    Equao 8

    onde, f refere frequncia dos pulsos em [Hz]; e T ao perodo dos pulsos em

    [s].

  • 69

    O driver de controle do motor de passo foi configurado para decompor o passo

    do motor em 40 micro passos, aumentando a resoluo do conjunto de 200 [ppr]

    para 8000 micro passos por revoluo [ppr]. Ao receber os pulsos da placa arduno

    o driver os emite ao motor, acionando-o.

    3.6 BANCADA CNC

    Para permitir a verificao dos requisitos de projeto que envolvem a execuo

    de trajetrias, como a verificao da uniformidade de extruso, adeso entre

    filamentos e manuteno da forma do filamento, o cabeote extrusor foi acoplado

    uma bancada CNC. Esta bancada um equipamento disponvel no laboratrio

    NUFER, para realizao deste tipo de trabalho,foram feitas apenas algumas

    adaptaes de controle para o seu funcionamento, como a incluso de uma placa

    Arduino. A Figura 3.10 mostra o equipamento citado.

    Figura 3.10 - Bancada CNC

  • 70

    Os sistemas de deslocamento dos eixos x e y so compostos, basicamente,

    por um motor de passo ao qual se acopla um fuso de esferas com 14 mm de

    dimetro e passo 5 mm. O curso de deslocamento segundo x e y 400 mm e 400

    mm, respectivamente. No eixo z o deslocamento feito pelo acionamento de um

    motor de passo acoplado uma dupla de engrenagens de reduo, que transmitem

    a rotao a um fuso trapezoidal de dimetro 4 mm e passo 2mm. O curso em z de

    30 mm.

    Exceto pelo sistema de movimentao em z o conjunto bastante robusto. A

    bancada montada em uma estrutura de ao com uma placa de granito como base.

    Os componentes de apoio e fixao, como mancais, so fabricados em chapas de

    alumnio de meia polegada.

    O controle da bancada, isto , do deslocamento nos trs eixos feito usando o

    programa EMC2, um programa livrede controle CNC para a plataforma Linux. Com

    este programa possvel controlar a bancada manualmente ou automatizada

    atravs de cdigo G.

    A Figura 3.11 ilustra o sistema de controle de movimentao da bancada CNC,

    de extruso e de temperatura.

    Figura 3.11 - Sistema de Controle do Equipamento Prottipo

  • 71

    A Figura 3.12mostra o equipamento prottipo e todos os perifricos associados

    a ele.

    Figura 3.12 - Equipamento Prottipo com Perifricos

    3.6.1 Implementao do Cdigo G no Planejamento do Processo

    Uma das etapas do processo de manufatura aditiva a de planejamento de

    processo. Para fazer a transferncia das informaes definidas nesta etapa para o

    programa de controle da mquina foi decidido empregar o cdigo G, uma linguagem

    tradicional para comunicar informaes mquinas controladas por computador.

    Para fazer a implementao foi organizado um fluxograma de etapas e aes

    desenvolvidas pela mquina cujas definies vm do planejamento de processo.

    Organizado o fluxograma, foi estruturada a escrita do arquivo de comunicao com o

    programa de controle EMC2. Alguns cdigos, cujas funes j so preestabelecidas

  • 72

    e se aplicaram s funes da mquina prottipo, foram aplicados escrita de um

    arquivo de comunicao. As funes da mquina no preestabelecidas no cdigo G

    no foram implementadas.Para isto, preciso programar o EMC2 para interpretar as

    funes personalizadas do arquivo de comunicao. A estrutura de escrita do

    arquivo em cdigo G de comunicao com o programa de controle foi implementada

    utilizando o programa RP3 para fazer o planejamento de processo, mas no foi

    empregado no trabalho.

    3.7 PARMETROS DE EXTRUSO

    Nesta seo, sero descritos os parmetros de extruso envolvidos na gerao

    do filamento. A Figura 3.13 ilustra alguns dos parmetros Temperatura de

    Processamento (Tp), Velocidade de Extruso do Filamento (Vf), Velocidade do

    mbolo (Ve), Velocidade de Deslocamento do Cabeote (Vd) e Altura da Camada

    (h), descritos nesta seo.

    Figura 3.13 - Ilustrao dos Parmetros de Extruso

  • 73

    3.7.1 Temperatura de Processamento

    A temperatura de processamento (Tp) se refere ao valor configurado no

    controlador de temperatura. Uma resistncia microtubular de 35 W envolvendo o

    cilindro foi empregada para fazer o aquecimento. Devido posio do termopar

    (Figura 3.9), natural que houvesse uma diferena entre a temperatura de

    processamento e a temperatura do material no interior do cilindro. Para conhecer

    esta diferena, verificar a eficincia do controle de temperatura e da dissipao de

    calor do cilindro foram conduzidos alguns ensaios, descritos na Seo 4.1.

    3.7.2 Velocidade de Extruso do filamento

    A velocidade de extruso (Vf) a velocidade com que o material extrudado

    atravs do furo na extremidade inferior do cilindro. Para que o filamento mantenha a

    rea de seo transversal, sem esticar ou alargar,Vf deve ter o mesmo valor que a

    velocidade de deslocamento do cabeote. Considerando o equipamento prottipo

    utilizado e suas limitaes fsicas, para efeito de projeto, a velocidade de extruso foi

    definida como 3 mm/s para se ter um ponto de partida. Nos experimentos, no

    entanto, foi constatado que o princpio da conservao da massa no se aplica ao

    sistema empregado, pois, tem-se uma massa bifsica, com uma parcela de polmero

    fundido e outra ainda em grnulos slidos. Sem esta considerao no foi possvel

    relacionar Vf com a velocidade do mbolo e, assim, usar os valores pretendidos de

    Vf para reger todos os demais parmetros do sistema motor, como foi feito no

    projeto descrito na seo 3.5.1. A velocidade de extruso funo da velocidade do

    mbolo e dos fenmenos de compresso da massa polimrica bifsica.

  • 74

    3.7.3 Velocidade do mbolo

    A velocidade do mbolo (Ve) se refere velocidade de subida e descida do

    mbolo. Para efeito de projeto Ve foi definida, como descrito na seo 3.5.1. com

    base na velocidade de extruso. Nos experimentos, no entanto, este foi o parmetro

    regente da extruso e configurado em funo da frequncia de atuao do motor de

    passo pela Eq. 6.

    3.7.4 Velocidade de Deslocamento do Cabeote

    A velocidade de deslocamento (Vd) se refere velocidade com que o cabeote

    de extruso se movimenta ao longo do eixo x e a mesa da bancada CNC ao longo

    do eixo y. A translao nestes eixos descreve a trajetria de deslocamento do

    cabeote, percorrida para fabricar as camadas, enquanto a velocidade est

    associada geometria do filamento extrudado. Quanto maior o valor de Vd em

    relao a Vf, mais fino deve se tornar o filamento e, no caso contrrio, quando Vf for

    maior que Vd, mais largo. A Figura 3.14 ilustra como realizada a movimentao

    dos eixos X e Y.

    w

    Figura 3.14 - Movimentao Segundo X e Y

  • 75

    A velocidade de deslocamento configurada no arquivo de cdigo G pelo

    comando F. O valor que o segue se refere Vd em mm/min.

    3.7.5 Altura da Camada

    Em planejamento de processo a altura da camada (h) se refere distncia

    entre os planos de corte que definem o perfil de cada camada. Neste trabalho, a

    altura de camada se refere distncia entre o bico e a superfcie onde o filamento

    extrudado ser depositado e definida na mquina avanando o bico at tocar o

    substrato e retornando a distncia desejada.

    3.7.6 Tempo de Permanncia

    Uma das principais preocupaes na aplicao do princpio de processamento

    proposto neste trabalho, isto , a fuso e deposio com alimentao granulada e

    extruso pela atuao de um mbolo, a degradao do material. Para avaliar o

    seu efeito foi adotado o parmetro tempo de permanncia que refere ao tempo que

    o material permanece no cilindro at ser extrudado.

  • 76

    4 ESTUDO EXPERIMENTAL DO PROCESSO

    Conforme relatado no Captulo 3, um teste preliminar demonstrou a

    possibilidade de empregar o princpio de extruso por mbolo para gerar um

    filamento contnuo. Neste captulo foram conduzidos uma srie de experimentos

    para verificar alguns dos requisitos descritos na Seo 3.1. Estes se focaram no

    comportamento dimensional do filamento ao longo da extruso e na avaliao da

    eficincia do cilindro concebido para evitar a degradao do material.

    Todos os experimentos foram realizadas empregando polipropileno H301 da

    Braskem como matria-prima para gerar o filamento. Este material foi escolhido,

    pois, de fcil e barata obteno e no foram encontrados na literatura outros

    trabalhos descrevendo o seu emprego em AM.

    Um fluxograma das etapas realizadas apresentado na Figura 4.1 e resultados

    esto apresentados no Captulo 5.

    Figura 4.1 - Fluxograma das Etapas Experimentais

    4.1 ANLISE DA FUSO DO PP AO LONGO DO CILINDRO

    Com o equipamento prottipo montado e funcionando, foram conduzidos

    ensaios para traar o perfil de temperatura ao longo do cilindro de parede fina

  • 77

    (concepo 2). Estes ensaios foram realizados para avaliar a eficincia de

    dissipao de calor do cilindro e conhecer o volume de material fundido no interior

    do cilindro.

    Um experimento de trs variveis foi conduzido: i/ temperatura de

    processamento (Tp), em trs nveis; ii/ altura do cilindro (hc), em quatro nveis; e iii/

    tempo. Cada ensaio, com trs repeties cada, teve durao de 1 hora. A Tabela 4

    mostra o planejamento do experimento e os nveis de cada varivel para cada

    ensaio.

    Para aquisio dos dados de temperatura foi empregado um sistema de

    aquisio de dados da National Instruments composto por um chassis SCXI-1000 e

    um mdulo de aquisio SCXI-1121. Um programa de leitura, exposio e registro

    dos dados foi produzido usando o programa LabView. Para captao da temperatura

    foram empregados quatro termopares tipo K posicionados e isolados na parede

    externa do cilindro com massa epxi conforme a Figura 4.2, fazendo a captao

    simultnea das quatro posies.

    Tabela 4.1 - Planejamento da Anlise de Fuso do Cilindro

    Varivel

    Ensaio Tp [C] hc [mm] t [horas]

    1 180

    8

    1

    20

    32

    56

    2 200

    8

    20

    32

    56

    3 220

    8

    20

    32

    56

  • 78

    Figura 4.2 - Posio dos Termopares ao Longo do Cilindro

    4.1.1 Perfil de Temperatura ao Longo do Cilindro

    Os ensaios foram conduzidos com o equipamento prottipo inteiramente

    montado e alocado em uma sala de laboratrio fechada com temperatura controlada

    por ar condicionado em 25C, seguindo as etapas listadas.

    Tabela 4.2 - Etapas de Aquisio do Perfil de Temperatura ao Longo do Cilindro

    Etapa Tempo aprox.

    [min] Procedimento

    1 0 Aquisio de dados iniciada

    2 1 Ligar a resistncia

    3 10 Alimentao do material no cilindro

    4 20 Incio da rotina de extruso

    5 50 Fim da rotina de extruso

    6 55 Desligar a resistncia

    7 60 Fim da aquisio de dados

    A etapa de alimentao do material granulado inclui o deslocamento do mbolo

    at a posio onde o material fundido comea a ser extrudado, o que ocorre com o

    mbolo aproximadamente 5 mm para dentro do cilindro.

  • 79

    A rotina de extruso executada durante o ensaio a mesma empregada nos

    ensaios descritos na Seo 4.3.1 e teve como objetivo reproduzir o comportamento

    trmico do cilindro em processo.

    4.1.2 Avaliao da Massa Fundida

    Com base na anlise dos resultados dos perfis de temperatura ao longo do

    cilindro foi realizada a preparao de amostras do volume de material fundido para

    cada Tp empregada. O procedimento empregado descrito na Tabela 4.3.

    O experimento consistiu em alimentar o cilindro com o volume mximo de

    material granulado, fundir e avanar com o mbolo e, ento, extrair a amostra de

    material fundido.

    Tabela 4.3- Etapas de Preparao das Amostras de Massa Fundida

    Etapa Tempo aprox.

    [min] Procedimento

    1 0 Alimentao do material no cilindro

    2 1 Ligar a resistncia

    3 10 Compresso do material at incio da extruso

    4 11 Desligada a resistncia

    5 30 Esvaziado o cilindro

    6 31 Extrada a amostra

    4.2 TESTES DE SUBSTRATO

    A primeira etapa dos testes de extruso foi a definio de um material para ser

    aplicado como substrato, i.e. o material sobre o qual o filamento depositado

    imediatamente aps ser extrudado.

  • 80

    No estava no escopo deste trabalho um estudo detalhado do substrato, desta

    forma um teste preliminar com diferentes materiais foi feito para encontrar um

    satisfatrio. Trs requisitos foram observados visualmente e com miscroscpio,

    qualidade da superfcie de interface filamento-substrato, adeso do filamento e

    empenamento do substrato.

    O acabamento da interface um requisito especfico deste trabalho, pois, pode

    repercutir na anlise dimensional dos filamentos, mas no compromete a aplicao

    em AM. A adeso entre o filamento e o substrato um requisito da AM, pois, a

    primeira camada depositada serve de ncora para toda fabricao da pea e o

    empenamento do substrato no pode ocorrer para que haja manuteno da forma

    da pea e da altura da camada. Foi visto durante testes preliminares que alguns

    materiais de substrato, quando expostos irradiao de calor vinda do cilindro

    aquecido empenam.

    A temp de 180 foi escolhida, pois, se ocorrerem os problemas supracitados a

    esta temperatura, nas demais ocorrero tambm. A Tabela 4.4 lista os tipos de

    substratos avaliados.

    .

    Tabela 4.4 - Tipos de Substratos

    Tp [C]

    Ve [mm/s]

    Vd [mm/min]

    h [mm]

    Tipo Substrato

    180 0,008 135 0,6

    Folha

    Acetato

    Papel

    Lixa 200

    Placa

    Poliuretano

    Alumnio

    Vidro

    Madeira de pinus

    Polipropileno

    Para avaliao do substrato foi executada a rotina de movimentao dos testes

    de extruso de 1450 mm, descrita em detalhes na Seo 0.

  • 81

    4.3 ESTUDO DE EXTRUSO DEFINIO DA JANELA DE

    PROCESSAMENTO

    Para avaliar a qualidade do filamento produzido pelo equipamento prottipo

    empregando o cilindro de parede fina da concepo 2, foram conduzidos trs sries

    de experimentos visando estudar o comportamento dimensional e geomtrico do

    filamento extrudado. O objetivo inicial foi encontrar uma configurao de parmetros

    capaz de gerar um filamento geometricamente adequado aplicao em AM, isto ,

    estvel em suas dimenses, contnuo e sem a presena de defeitos. Inicialmente,

    sem conhecimento do comportamento dimensional do filamento extrudado, o estudo

    foi planejado para ser executado em um experimento, com uma trajetria curta de

    250 mm. Com este experimento foram definidas as relaes de alguns parmetros

    de extruso com a qualidade do filamento gerado, para aquele comprimento de

    trajetria, mas identificada uma nova necessidade. Com os seus resultados, foi

    verificada a necessidade de investigar a execuo de trajetrias mais

    longas.Assim,foram executados experimentos com trajetrias de 1450 mm e 4000

    mm. A altura de camada configurada para todos os experimentos foi de 0,5 mm

    empregando como substrato a chapa de polipropileno (seguindo resultados da

    seo 4.2).

    4.3.1 Anlise do Filamento de 250 mm

    Este experimento teve como objetivo definir a relao entre os parmetros de

    extruso e a qualidade do filamento. Para isso foi conduzido um planejamento

    experimental 3 (i.e. trs variveis em trs nveis) com trs repeties de cada

    ensaio. Foram relacionados a temperatura de processamento (Tp), a velocidade de

    extruso (Vf) e a velocidade de deslocamento (Vd). A altura da camada (h) foi

    mantida constante em 0,5 mm. O material, polipropileno granulado, no foi seco em

    estufa, mantendo assim a umidade do seu armazenamento.

  • 82

    A preparao das amostras foi executada segundo as seguintes etapas. Com o

    cilindro aquecido temperatura de processamento e na posio inicial da trajetria o

    PP granulado foi alimentado no cilindro at o limite da capacidade. O mbolo foi

    avanado at a posio em que o material fundido comea a ser extrudado pelo bico

    e, ento, iniciada a execuo do cdigo G. A Figura 4.4 ilustra a trajetria

    empregada.

    A presena de defeitos de extruso, como bolhas ou deformao, foi analisada

    de forma qualitativa, pela anlise dos filamentos em microscpio. A Tabela

    4.5mostra os nveis de cada varivel e o planejamento experimental dos ensaios.

    Para a avaliao das amostras foram feitas medies da largura dos filamentos

    e analisada a presena de defeitos de extruso. As medies foram feitas em um

    microscpio Olympus BX51M com ampliao de 50x em cinco pontos da trajetria,

    sempre no meio de cada trecho horizontal. Como critrios para avaliao

    dimensional do filamento foi analisado o desvio padro dos resultados, pois, quanto

    menor o seu valor, mais estvel deve ser o filamento gerado por aquele conjunto de

    parmetros. A trajetria de extruso usada neste experimento prev 50mm no incio

    para que haja a devida ancoragem do filamento.

    Figura 4.3 - Trajetria para Anlise dos Filamentos de 250 mm

    A escolha dos parmetros foi feita com base na capacidade de movimentao

    da bancada CNC e a velocidade do mbolo necessria para gerar uma velocidade

    de extruso equivalente, seguindo as relaes descritas no Captulo 3.

  • 83

    Tabela 4.5 - Planejamento Experimental 3 da Extruso em 250 mm

    Parmetros

    Tp [C] Ve [mm/s] Vd [mm/min]

    En

    sa

    io

    1

    180

    0,008

    135

    2 360

    3 720

    4

    0,019

    135

    5 360

    6 720

    7

    0,043

    135

    8 360

    9 720

    10

    200

    0,008

    135

    11 360

    12 720

    13

    0,019

    135

    14 360

    15 720

    16

    0,043

    135

    17 360

    18 720

    19

    220

    0,008

    135

    20 360

    21 720

    22

    0,019

    135

    23 360

    24 720

    25

    0,043

    135

    26 360

    27 720

    4.3.2 Anlise do Filamento de 1450 mm

    Com os resultados da anlise do filamento de 250mm foi constatada a

    consequncia da no estabilizao da largura do filamento que, com o decorrer da

  • 84

    extruso, se torna gradativamente mais largo. Para conhecer melhor o

    comportamento do filamento ao longo da extruso foram conduzidos experimentos

    com trajetrias maiores. Uma trajetria em ziguezague com comprimento de 1450

    mm foi usada para avaliar o comportamento de largura do filamento. A Figura 4.4

    ilustra a trajetria empregada.

    Figura 4.4 - Trajetria para a Anlise dos Filamentos de 1450 mm

    Com base nos resultados do estudo do filamento de 250 mm, a janela de

    parmetros avaliados foi reduzida. Neste estudo a temperatura foi mantida constante

    em 180C, pois, com esta foram obtidos bom resultados de extruso e uma

    temperatura menor deve gerar menor degradao trmica. A velocidade de

    deslocamento foi mantida em 135 mm/min, pois, foi o valor com o qual os melhores

    resultados foram obtidos. O nico parmetro a sofrer variao neste experimento foi

    a velocidade do mbolo, que foi avaliada nos trs nveis originais, iguais ao estudo

    de extruso em 250 mm (i.e. 0,008; 0,019; e 0,043 mm/s). Assim as combinaes de

    parmetros avaliadas neste experimento foram os equivalentes aos parmetros 1, 4

    e 7 da Tabela 4.5. Trs repeties de cada ensaio foram realizadas.

    As medies de largura foram realizadas em microscpio com ampliao de

    50x. Foram conduzidas cinco medies equidistantes ao longo de cada trecho

    horizontal da trajetria, descontando 25 mm de cada extremidade, como ilustra a

    Figura 4.5.

  • 85

    Figura 4.5 - Pontos de Medies das Amostras de 1450 mm

    4.3.3 Anlise do Filamento de 4000 mm

    Com os resultados da anlise dos filamentos de 1450 mm no foi identificado

    um ponto de estabilizao da largura do filamento, gerando grficos crescentes at o

    fim do comprimento avaliado. Para tentar identificar um comprimento a partir do qual

    a largura do filamento se estabiliza foi realizado o experimento de extruso segundo

    trajetrias de 4000 mm. Para este experimento foi programada uma trajetria em

    ziguezague semelhante da Figura 4.4, mas mais longa. As amostras foram

    preparadas tendo como substrato a chapa de polipropileno e altura de camada

    configurada para 0,5 mm.

    Para agilizar a execuo do experimento a janela de parmetros foi reduzida

    ainda mais em relao s combinaes avaliadas com a trajetria de 1450 mm. A

    princpio foram executadas duas amostras, uma com Ve de 0,008 mm/s e outra com

    0,019 mm/s, equivalentes aos parmetros 1 e 4 da Tabela 4.5. Estas duas amostras

    foram avaliadas segundo o procedimento descrito no prximo pargrafo. O resultado

    destas medies levou deciso de executar o experimento com trs repeties

    apenas da combinao dos parmetros T 180C, Vd 135 mm/min e Ve 0,008 mm/s,

    equivalente ao ensaio 1 da Tabela 4.5. Esta combinao foi escolhida devido

    tendncia de estabilizao da largura do filamento. A avaliao das amostras foi

    feita pela medio das larguras dos filamentos em microscpio no meio de cada

    trecho horizontal da trajetria, como mostra a Figura 4.6.

  • 86

    Figura 4.6 - Pontos de Medies das Amostras de 4000 mm

    Nas amostras definitivas, preparadas em trs repeties, alm das medies

    de largura, foram tambm feitas medies da altura do filamentopara se ter uma

    avaliao mais precisa do comportamento do filamento. As medies foram

    realizadas utilizando um micrmetro digital, nos mesmos pontos indicados na Figura

    4.6. Com as informaes de altura e largura do filamento naquele ponto foi

    executado o clculo da rea da seo transversal do filamento, considerando-o

    elptico, como constatado no estudo da geometria do filamento descrito na

    Seo5.3. A Equao 10 mostra a frmula da rea de uma elipse usada para obter

    uma aproximao da rea do filamento.

    Equao 10

    onde, A a rea da seo transversal do filamento no ponto que se est

    avaliando; a o comprimento do semieixo maior da elipse (i.e. metade da largura); e

    b o comprimento do semieixo menor (i.e. metade da altura).

    4.3.4 Verificao da Adeso Lateral entre Filamentos

    Este experimento teve como objetivo investigar a relao dos parmetros de

    extruso e planejamento de processo com a qualidade da adeso entre os

  • 87

    filamentos depositados adjacentemente. No entanto, com os resultados da

    preparao das primeiras amostras foi identificada a necessidade mais imediata de

    continuar com o estudo da extruso e controle dos filamentos em trajetrias longas.

    Este foi considerado ento como um estudo preliminar.

    Com a identificao de um conjunto de parmetros de extruso capazes de

    gerar um filamento sem defeitos, foi feita a verificao da adeso entre os filamentos

    depositados adjacentemente. Aplicando os mesmos parmetros do ensaio 4 na

    Tabela 4.5, foi executada a extruso segundo uma trajetria em ziguezague com

    distncia entre os trechos longos de 0,8 mm e altura de camada (h) de 0,5 mm,

    como ilustrado na Figura 4.7. A distncia entre os trechos da trajetria foi definida

    com base nos resultados da anlise dos filamentos, que mostra que para esta

    combinao de parmetros a distncia de 0,8mm deve gerar a partir de certo ponto

    da trajetria uma interferncia entre os filamentos.

    Figura 4.7 - Trajetria de Verificao da Adeso

    Foram preparao trs amostras, nas mesmas condies dos ensaios de

    extruso anteriores. em madeira de pinus O comprimento total da trajetria de

    aproximadamente 2800 mm.

    Os resultados descritos na Seo 5.3.4 foram constatados visualmente e para

    sua demonstrao a superfcie de uma das amostras foi escaneada usando um

  • 88

    aparelho escaner de contato MDX-40, da Roland. O escaneamento foi feito usando

    passo de 0,04 mm ao longo de X e 0,5 mm de passo em Y.

    4.4 ESTUDO DA DEGRADAO

    A degradao do material contido no cilindro uma das principais

    preocupaes em relao aplicao do princpio de extruso por mbolo para a

    manufatura aditiva. Para avaliar o efeito do tempo de permanncia sobre a

    integridade estrutural do filamento extrudado foram conduzidos dois experimentos. A

    espectroscopia no infravermelho, procurando verificar a ocorrncia da degradao e

    alteraes na estrutura qumica do polmero e ensaios de trao, para avaliar o

    impacto destas alteraes na sua resistncia mecnica.

    4.4.1 Espectroscopia no Infravermelho

    Para a verificao da degradao e as mudanas na estrutura qumica do

    polmero foi aplicada a tcnica de espectroscopia vibracional de absoro no

    infravermelho (FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy).

    Como amostras para o ensaio, foram preparadas chapas finas de 30 mm x 20

    mm com altura de camada (h) de 0,5 mm aplicando os parmetros de processo

    descritos na Tabela 4.6. O tempo de permanncia (t) do PP no interior do cilindro foi

    contado a partir do momento da alimentao dos gros at o incio da execuo da

    rotina de preparao da amostra. Foram preparadas trs amostras para cada

    combinao de parmetros e as aquisies de espectros obtidas em duplicata para

    cada amostra.

    Para efeito comparativo foram realizados ensaios tanto do cilindro de parede

    fina (concepo 2) quanto com o cilindro de parede grossa (concepo 3), descrito

    na Seo 3.4. O objetivo foi verificar a influncia da concepo de cilindro no efeito

    da degradao.

  • 89

    Para a preparao das amostras foi feita a purga e realimentao do material

    no cilindro a cada ciclo completo dos tempos de permanncia. Os parmetros de

    extruso empregados foram os equivalente aos ensaios 4, 13 e 22 da Tabela 4.5

    (i.e. Ve 0,019 mm/s; Vd 135 mm/min e Tp 180 C, 200 C e 220 C,

    respectivamente). As amostras foram fabricadas empregando como substrato a

    chapa de polipropileno numa rea ainda no usada e para evitar contaminao.

    A aquisio dos espectros foi realizada utilizando o equipamento de

    espectroscopia Varian 640 FTIR, do Departamento de Qumica e Biologia da

    UTFPR, empregando a tcnica de transmisso na faixa de 600 a 4000cm-1. Antes de

    cada seo de aquisio de dados foi feita uma leitura do ambiente para ser

    subtrada do espectro da amostra.

    Tabela 4.6- Planejamento Experimental de Espectroscopia no Infravermelho

    Varivel

    Ensaio Ve Vd Cilindro Tp

    [C] t

    [min]

    1

    0,

    00

    8 [

    mm

    /s]

    13

    5 [m

    m/m

    in]

    Con

    ce

    p

    o 2

    180

    10

    2 30

    3 50

    4

    200

    10

    5 30

    6 50

    7

    220

    10

    8 30

    9 50

    10

    Con

    ce

    p

    o 3

    180

    10

    11 30

    12 50

    13

    200

    10

    14 30

    15 50

    16

    220

    10

    17 30

    18 50

  • 90

    4.4.2 Ensaios de Trao

    Para avaliar o efeito do tempo de permanncia do material sobre a sua

    resistncia mecnica foram realizados ensaios de trao em filamentos extrudados

    usando o cilindro de parede finada concepo 2 e o cilindro de parede grossa da

    concepo 3. As amostras, filamentos retos de 200 mm, foram preparadas segundo

    a mesma combinao de parmetros do planejamento experimental da

    espectroscopia, descrito na 4.4.1. A extruso foi realizada a 50 mm dosubstrato,

    para gerar filamentos em queda livre e portanto amostras cilndricas, e deslocando o

    cabeote em quatro trechos ao longo de X como ilustra a Figura 4.8.

    Figura 4.8- Trajetria de Preparao das Amostras do Ensaio de Trao

    Os ensaios de trao foram realizados em uma mquina universal de ensaios

    DL10000 da Emic com uma clula de carga de 500N e preciso de 0,1N. Garras

    auto travantes por efeito de alavanca foram usadas para prender as amostras. Lixas

    de granulometria 200 foram usadas para aliviar a fora aplicada pelos mordentes

    sobre a amostra. A velocidade de ensaios usada foi de 10 mm/min. Este ensaio no

    seguiu uma norma, mas foi executado somente para efeito comparativo entre as

    amostras.

  • 91

    5 RESULTADOS E DISCUSSES

    Neste captulo, sero apresentados os resultados e discusses dos

    experimentos descritos no Captulo 4.

    5.1 ANLISE DA FUSO DO PP AO LONGO DO CILINDRO

    Os grficos das curvas de comportamento trmico do cilindro so apresentados

    nas Figura 5.1 Figura 5.3 correspondendo s temperaturas de processamento de

    180, 200 e 220C, respectivamente.O termopar instalado na altura de 32 mm,

    indicado pela cor verde, apresentou algum problema no sinal, o que se refletiu na

    instabilidade do seu grfico. No entanto, a sua temperatura registrada est dentro de

    uma faixa esperada.

    Figura 5.1 - Grfico Temperatura x Tempo Conforme Altura do Cilindro para Tp=180C

  • 92

    Figura 5.2 - Grfico Temperatura x Tempo Conforme Altura do Cilindro para Tp=200C

    Figura 5.3 - Grfico Temperatura x Tempo Conforme Altura do Cilindro para Tp=220C

  • 93

    possvel observar nos grficos o comportamento trmico do cilindro durante o

    processo. Nota-se, em todas as curvas, uma resposta rpida ao aquecimento da

    temperatura ambiente temperatura de processamento. Avaliando o ponto mais

    prximo da resistncia (i.e. a 8 mm), o cilindro apresenta uma taxa de aquecimento

    de 30 a 40 C por minuto, levando em torno de 4 a 6 minutos para aquecer e

    estabilizar em Tp. No observado efeito de inrcia trmica at a estabilizao em

    torno de Tp, exceto quando aquecendo para 220C. Neste caso, existe um pequeno

    efeito de inrcia.

    Observa-se uma ligeira queda da temperatura com a alimentao do material,

    necessitando no mximo 2 minutos para a reestabilizao. A estabilizao aps a

    alimentao para as temperaturas de 180 e 200C, ocorreu em uma temperatura

    superior ao observado sem a carga de polmero, sendo esta mais pronunciada na

    200C, com um aumento de 10C. Tal efeito no perceptvel na temperatura de

    220C.

    Com o incio da extruso observado um aumento significativo da temperatura

    nas temperaturas de processamento de 180C (Figura 5.1) e 200 C (Figura 5.2).

    Para Tp 180C, a temperatura aumentou para 200C e, para a Tp 200C, a

    temperatura do cilindro aumentou para 220C. Este fenmeno ocorre provavelmente

    devido compresso do material fundido e consequente maior conduo de calor do

    polmero ao cilindro. Uma hiptese para explicar este fato que o material ao ser

    alimentado se funde e sua viscosidade mais baixa faz com que se assente no fundo

    do cilindro. A massa fundida ocupa os espaos vazios formando uma massa

    homognea que conduz j inicialmente mais calor para a poro superior do cilindro.

    Aps o incio da extruso, a temperatura se estabiliza e se mantm constante

    at o final da extruso. temperatura de processamento 220C no ocorreu a

    elevao da temperatura, esta se mantendo constante ao longo de todo o processo.

    A Figura 5.4 ilustra a hiptese sugerida. A amostra apresentada foi gerada pelo

    procedimento descrito na Tabela 4.3, mas sem fazer a compresso dos grnulos,

    apenas com a etapa de alimentao a 200C.

  • 94

    Figura 5.4 - Amostra de Material Alimentado a 200C, mas no Comprimido

    A Figura 5.5 mostra o perfil da temperatura ao longo do cilindro.

    Figura 5.5 - Perfil da Temperatura ao Longo do Cilindro

    Segundo os perfis, a temperatura (i.e. 153C) para as Tp 180C, 200C e

    220C superada na altura de 21,6 mm, 23,8 mm e 25,5 mm, respectivamente.

    Acima desta altura o material depositado no interior do cilindro deve manter a

  • 95

    integridade dos grnulos e abaixo desta inicia a fuso. A Figura 5.6apresenta as

    amostras de material fundido.

    (a) (b)

    (c) (d)

    Figura 5.6 - Amostras do Material Fundido a Tp 180C (a), 200C (b), 220C (c) e todas as amostras juntas (d)

    As amostras apresentam 15 mm, 19,5 mm e 27 mm, de PP fundido

    respectivamente s Tp 180C, 200C e 220C.

  • 96

    5.2 RESULTADOS DOS TESTES DE SUBSTRATO

    Os materiais de substrato foram testados pela execuo de uma rotina de

    extruso e verificao do comportamento do filamento gerado e do substrato. Os

    critrios avaliados foram a qualidade de acabamento superficial do filamento,

    adeso do filamento ao substrato e no empenamento do substrato. A Tabela 5.1

    mostra os resultados dos testes realizados.

    Tabela 5.1 - Resultados dos Testes de Substrato

    Tp Ve Vd h Tipo Substrato Acabamento Adeso Empenam. Substrato

    18

    0

    C

    0,0

    08

    mm

    /s

    13

    5 m

    m/m

    in

    0,5

    mm

    Folha

    Acetato ok ok Nok

    Papel ok ok Nok

    Lixa 200 ok ok Nok

    Placa

    Espuma de Poliuretano

    Nok ok ok

    Alumnio ok Nok ok

    Vidro ok Nok ok

    Madeira de pinus ok ok Nok

    Polipropileno ok ok ok

    Conforme visto na literatura, condutibilidade trmica do material do substrato

    deve permitir que o polmero fundido extrudado pelo bico seja depositado e tenha

    tempo para aliviar a contrao. Quando isto no acontece o filamento resfriado

    muito rapidamente sem aliviar as tenses, quando ocorre o reemaranhamento das

    macromolculas o filamento empena, descolando do substrato. A manuteno da

    forma a altas temperaturas deve ser atendida para permitir o uso em rotinas longas,

    evitando que o substrato empene ao ser exposto irradiao de calor vinda do bico.

    A espuma de poliuretano foi empregada com sucesso, atendendo bem a

    ambos estes requisitos, mas no foi utilizada como material de substrato definitivo

    devido necessidade de gerar um filamento de perfil liso. A Figura 5.7 mostra a

    superfcie de contato entre o filamento e a espuma.

  • 97

    Figura 5.7 - Aspecto do Contato Filamento-Poliuretano

    A exigncia de um melhor acabamento na interface do filamento com o

    substrato se deve necessidade de realizar a avaliao dimensional do filamento e

    com isso uma superfcie irregular para medio se torna indesejada. Este requisito

    existe apenas para o trabalho de estudo do filamento. Para a aplicao na

    manufatura aditiva este menos relevante, pois ocorreria apenas na primeira

    camada inferior da pea.

    Com os testes de outros materiais em folhas e chapas, foi observada a

    ocorrncia de falta de adeso entre o filamento extrudado e o substrato, implicando

    no descolamento e perda do trabalho.

    Concluiu-se dos testes com substratos que o emprego da chapa de

    polipropileno apresentou comportamento satisfatrio para todos os requisitos

    avaliados. O nico problema percebido com este substrato a ocorrncia de

    desgaste com as extruses. A substituio frequente deste material pode se tornar

    onerosa. Os demais materiais avaliados sempre incorreram em algum dos

    problemas descritos. Uma alternativa empregada em projetos de mquinas de baixo

    custo, como a RepRap, e que poderia ser testada em trabalhos futuros o

    aquecimento do substrato, permitindo empregar materiais rgidos de alta

    condutibilidade como alumnio.

  • 98

    5.3 ESTUDO DE EXTRUSO

    Esta seo apresenta os resultados dos testes de extruso.

    5.3.1 Anlise do Filamento de 250 mm

    A Figura 5.8 expe em forma de grfico os resultados da Tabela 5.2. As cores

    indicam temperaturas diferentes.

    Figura 5.8 - Grfico dos Resultado do Filamento de 250 mm

    A Tabela 5.2 mostra um resumo dos resultados das medies dos filamentos

    de 250 mm. Os campos em branco indicam que a combinao de parmetros no

    gerou um filamento satisfatrio, incorrendo em algum dos problemas descritos mais

    a frente.

    0

    500

    1000

    1500

    2000

    2500

    1 2 3 4 5

    Larg

    ura

    do

    fila

    me

    nto

    [

    m]

    Trecho

    Largura ao longo do filamento

    1

    4

    7

    10

    13

    16

    17

    19

    22

    25

    26

    25

    16

    7

    4

    17

    22

    26

    13

    1 10

    19

  • 99

    Tabela 5.2 - Resultados Resumidos dos Filamentos de 250mm

    Parmetros Resultados

    Tp Ve Vd Mdia desvio

    [C] [mm/s] [mm/min] [m] padro E

    nsa

    io

    1

    180

    0,008 (726)

    135 610 52

    2 360 -

    3 720 -

    4 0,019 (300)

    135 1075 57

    5 360 -

    6 720 -

    7 0,043 (125)

    135 2046 272

    8 360 -

    9 720 -

    10

    200

    0,008 (726)

    135 593 32

    11 360 -

    12 720 -

    13 0,019 (300)

    135 935 117

    14 360 -

    15 720 -

    16 0,043 (125)

    135 1968 240

    17 360 863 66

    18 720 -

    19

    220

    0,008 (726)

    135 569 34

    20 360 -

    21 720 -

    22 0,019 (300)

    135 982 92

    23 360 -

    24 720 -

    25 0,043 (125)

    135 2073 256

    26 360 910 59

    27 720 -

    A Figura 5.9mostra de forma grfica a disperso dos desvios padro dos

    resultados obtidos.

  • 100

    Figura 5.9 - Grfico de Disperso do Desvio Padro

    Os resultados qualitativos do experimento, baseados na observao dos

    filamentos, e a anlise das medies de largura demonstram o relacionamento dos

    parmetros de extruso com a qualidade do filamento.Observando os resultados na

    forma grfica da Figura 5.8 se tem uma noo do comportamento da largura do

    filamento ao longo da extruso. Nota-se que os filamentos com Ve de 0,008 e 0,019

    mm/s apresentam baixa variao ao longo dos 250 mm de comprimento, enquanto

    que a Ve 0,043 mm/s (i.e. ensaios 7, 16 e 25) apresenta uma tendncia de

    crescimento da largura. Uma hiptese que pode explicar este fenmeno o

    aumento gradativo da presso do material no interior do cilindro. Isto pode ocorrer se

    o dispositivo for fisicamente incapaz de extrudar o material fundido com a vazo

    necessria para manter a presso constante, isto , o volume de material deslocado

    pelo mbolo maior do que o volume sendo extrudado atravs do furo no cilindro.

    Tomando esta suposio como verdadeira se tem uma indicao do limite de

    velocidade de extruso aplicvel ao dispositivo, entre 0,019 e 0,043 mm/s.

    Os desvios padro das medies, apresentados na Figura 5.9, tambm

    apresentam uma relao aparentemente direta e linear com a velocidade de

    extruso e, por consequncia, com a largura. Sendo assim, os filamentos mais finos

    so tambm mais uniformes.

  • 101

    A Figura 5.10 mostra de forma grfica os efeitos dos parmetros sobre a

    largura do filamento para a velocidade de deslocamento de 2 mm/s. Os valores no

    interior dos crculos so as larguras do filamento em m para a dada combinao de

    parmetros. Os valores nas ligaes entre os crculos indicam o efeito na largura da

    mudana de uma combinao para outra.

    Figura 5.10 - Grfico dos Efeitos dos Parmetros na Largura do Filamento para Vm de 2mm/s

    Como observado no grfico de temperatura tem pouco efeito sobre a largura

    do filamento, mas foi observado tambm que a temperatura pode permitir a extruso

    com velocidades de deslocamento maiores. Apesar de ainda no formar filamentos

    viveis, os resultados das velocidades de deslocamento maiores foram melhores

    com o aumento da temperatura. A velocidade de deslocamento no plano xy mostrou,

    para as combinaes de parmetros avaliadas, ser um fator determinante na

    formao ou no de um filamento. A Vd de 135 mm/min gerou bons filamentos, as

    demais, exceto pelos ensaios 17 e 26, no. A velocidade do mbolo foi o fator com

    maior efeito sobre a largura.

    As Figura 5.11 e Figura 5.12 mostram fotos em microscpio da vista superior

    dos filamentos. As Figura 5.11 (a), (b) e (c) mostram respectivamente os filamentos

    gerados nos ensaios 10, 13 e 16 (i.e. temperatura = 200C, Vd = 135 mm/min e Ve =

  • 102

    0,008; 0,019 e 0,043 mm/s). As Figura 5.12(a), (b) e (c) mostram os trs tipos de

    defeitos ocorridos nos experimentos. A Figura (a) mostra a ocorrncia de uma

    estrico longa. A Figura(b) mostra a ocorrncia de fratura do extrudado e a

    Figura(c) mostra a ocorrncia de uma incluso de material degradado no filamento.

    Em todas as fotos possvel observar um discreto efeito pele de cao.

    (a)

    (b)

    (c)

    Figura 5.11 - Micrografias dos Filamentos Extrudados a 180 C, Vd 135 mm/min e Ve (a) 0,008,

    (b) 0,019 e (c) 0,043 mm/s.

  • 103

    (a)

    (b)

    (c)

    Figura 5.12Micrografia dos Defeitos nas Amostras de Filamentos Extrudados (a) Estrico, (b) Fratura e (c) Incluso

  • 104

    Defeitos foram observados durante a execuo dos ensaios. Quando a

    velocidade do mbolo gera uma vazo de extruso menor do que a necessria para

    acompanhar o deslocamento do cabeote o deslocamento da mesa faz com que o

    filamento se estique, criando uma estrico at o prximo ponto de adeso. Este

    um defeito peridico e a sua frequncia se mantm ao longo do filamento e est

    associada combinao dos parmetros de Ve e Vd. Frequncias menores ocorrem

    para velocidades de extruso mais baixas e aumenta conforme se aumenta Ve ou

    diminui Vd. A Figura 5.12 (a) mostra um ponto de acmulo de material e a estrico

    que a antecedeu. A situao oposta tambm gera defeitos de extruso. A fratura do

    extrudado ocorre quando a Ve muito grande, gerando cisalhamento da massa

    fundida no interior do cilindro alm da taxa de cisalhamento crtica. Nestes casos o

    filamento extrudado apresenta uma ondulao, como na Figura (b). O defeito de

    extruso aparentemente no associado aos parmetros de extruso observado no

    experimento foi o aparecimento de incluses no interior filamento, como mostrado na

    Figura (c). Estas ocorrem de forma aleatria em algumas amostras. As incluses

    podem ter vrias origens, algumas hipteses so de sujeira alimentada junto com os

    gros, material queimado ou oxidado entorno de aprisionamentos de gua,

    proveniente da humidade ambiente. Uma avaliao quantitativa dos filamentos, num

    estudo futuro, poderia indicar se h comprometimento significativo da sua resistncia

    mecnica.

    5.3.2 Anlise do Filamento de 1450 mm

    Os resultados das medies de largura das amostras de 1450 mm aparecem de

    forma resumida na Tabela 5.3.

  • 105

    Tabela 5.3 - Resultados Resumidos de Extruso em 1450 mm

    A Figura 5.13 apresenta de forma grfica as mdias das trs amostras geradas

    com os parmetros 1, 4 e 7.

    Figura 5.13 - Grfico das Larguras Mdias dos Ensaios com Filamentos de 1450 mm

    0

    500

    1000

    1500

    2000

    2500

    25

    85

    18

    0

    24

    0

    33

    5

    43

    0

    49

    0

    58

    5

    64

    5

    74

    0

    83

    5

    89

    5

    99

    0

    10

    50

    11

    45

    12

    40

    13

    00

    13

    95

    14

    55

    Larg

    ura

    [

    m]

    Comprimento [mm]

    1

    4

    7

    Ensaios:

  • 106

    Para melhor interpretao dos resultados os ensaios 1 e 4 so apresentados

    separadamente, com escala mais adequada, na Figura 5.14.

    Figura 5.14 Grfico das Larguras Mdias dos Ensaios 1 e 4 com Filamentos de 1450mm

    Foi observado com os resultados das medies que, dentro do comprimento

    avaliado (i.e. 1450mm), os filamentos apresentam largura crescente tendendo

    estabilizao. No entanto, visvel que ainda no a atinginde. Com base nesta

    observao foi realizado o experimento com filamentos de trajetria de 4000 mm.

    5.3.3 Anlise do Filamento 4000 mm

    Os resultados das reas calculadas a partir dasmedies de largura e

    espessura das amostras de 4000 mm aparecem de forma resumida na Tabela 5.4.

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    700

    800

    900

    1000

    25

    85

    18

    0

    24

    0

    33

    5

    43

    0

    49

    0

    58

    5

    64

    5

    74

    0

    83

    5

    89

    5

    99

    0

    10

    50

    11

    45

    12

    40

    13

    00

    13

    95

    14

    55

    Larg

    ura

    [

    m]

    Comprimento [mm]

    1

    4

    Ensaios:

  • 107

    Tabela 5.4- Tabela dos Resultados Resumidos de rea dos Filamentos de 4000 mm

    A Figura 5.15 mostra de forma grfica os resultados das medies de largura.

    Figura 5.15 - Grfico das Medies de Largura do Filamento de 4000 mm

    Confirma-se no grfico a tendncia de estabilizao do filamento com o avano

    da trajetria para alm dos 1250 mm analisados anteriormente. A largura apresentou

    um comportamento crescente at em torno de 1550 mm de extruso a partir de onde

    estabilizou-se, mesmo que com variao significativa para mais ou para menos.

    Deste ponto at o final da trajetria apresentou uma largura mdia de 0,88 mm com

    desvio padro de 0,04.

    0

    200

    400

    600

    800

    1000

    1200

    50

    35

    5

    65

    9

    96

    4

    12

    68

    15

    73

    18

    77

    21

    82

    24

    86

    27

    91

    30

    95

    34

    00

    37

    04

    40

    09

    Larg

    ura

    [

    m]

    Comprimento [mm]

    Larguras

    1-1

    1-2

    1-3

  • 108

    Figura 5.16- Grfico das reas do Filamento de 4000 mm

    Observa-se no grfico uma atenuao da variao do filamento quando

    comparados a rea da seo transversal. A rea ainda varia crescentemente at em

    torno de 1550 mm, mas esta variao se torna menor.

    5.3.4 Verificao da Adeso

    Com a execuo das amostras de verificao da adeso ficou evidente,

    segundo uma anlise qualitativa, a capacidade do processo em produzir uma

    camada coesa a partir da deposio de filamentos adjacentemente.

    A amostra preparada para verificao da adeso foi escaneada e dela foi

    gerada uma nuvem de pontos, com coordenadas em x, y e z. Esta foi normalizada

    em 0 mm e reorganizada numa matriz utilizando o Excel e plotada num grfico de

    cores empregando o programa Origin V8.6 verso de avaliao. A Figura 5.17

    mostra o grfico de cores gerado em funo da altura em z para a faixa da amostra

    onde se tem o efeito mais acentuado de formao de cristas. O gradiente de cores

    0,000

    0,100

    0,200

    0,300

    0,400

    0,500

    0,600

    0,700

    0,800

    50

    35

    4,5

    65

    9

    96

    3,5

    12

    68

    15

    72

    ,5

    18

    77

    21

    81

    ,5

    24

    86

    27

    90

    ,5

    30

    95

    33

    99

    ,5

    37

    04

    40

    08

    ,5

    re

    a [m

    m]

    Comprimento [mm]

    reas

    1-1

    1-2

    1-3

  • 109

    aplicado foi de azul, em 0 mm, at vermelho, em 1,46 mm, com incremento de 0,16

    mm por camada.

    Figura 5.17 - Grfico de Cores em Funo da Altura em Z

    Observa-se no grfico a existncia de uma tendncia de aumento da altura da

    cristas da direita para esquerda. Contornos estreitos e altos indicam uma crista de

    menor ou maior intensidade e regies vermelhas mais pontuais ou concentradas

    indicam picos, ambos formados em funo da interferncia dos filamentos. As cristas

    e picos so formados quando h interferncia dos filamentos.

    Este resultado confirma o aumento da vazo ao longo da extruso. Como foi

    aplicada uma distncia constante entre trajetrias, a variao do gap ocorre devido

    variao da largura do filamento. Este efeito indesejado pois no se tem coeso

    uniforme em toda a pea fabricada.

    As Figura 5.19 e Figura 5.20 mostram o perfil de altura da amostra ao longo da

    linha de 7,5 mm no eixo Y, indicada na Figura 5.18. A Figura 5.19 mostra a regio

    extrema direita da amostra, no incio da extruso, enquanto que a Figura 5.20

    mostra a regio esquerda, ao final da extruso.

  • 110

    Figura 5.18Amostra para Verificao do Perfil de Altura e Indicao do Plano de Corte

    Figura 5.19 - Perfil de Altura do Incio da Amostra

    possvel observar a mudana do perfil dos filamentos, deixando de ser

    abaulados e passando a adotar uma forma mais achatada ao longo da extruso.

    Este comportamente devido ao que j foi comentado variao da vazo.

    Figura 5.20 - Perfil de Altura do Fim da Amostra

    Com o progresso da extruso e aumento da largura a interferncia entre os

    filamentos faz formar cristas de material ao longo da camada.

  • 111

    5.4 ESTUDO DA DEGRADAO

    Os resultados dos estudos de degradao por espectroscopia no infravermelho

    e do seu reflexo na resistncia trao so apresentados a seguir.

    5.4.1 Espectroscopia no Infravermelho

    Os resultados das amostras para a avaliao da degradao por

    espectroscopia nas temperaturas de 180, 200 e 220 C, com tempos de

    permanncia de 10, 30 e 50 minutos empregando o cilindro de concepo 2 e

    concepo 3 podem ser vistos na Figura 5.21.

    Nota-se dos espectros das amostras preparadas pelo cilindro de paredes finas

    a mudana na banda de absoro referente aos grupos carbonlicos, indicao da

    ocorrncia de degradao. Na temperatura de 180C, h pouca indicao de

    degradao nos tempos de 10 e 30 minutos, sendo que j se torna visvel no tempo

    de 50 minutos. Em 200C, a ocorrncia de degradao perceptvel desde 10

    minutos, com intensidade levemente maior que a 180C. Esta se mantem sem

    aparente mudana at 50 minutos.

    O mesmo comportamento em relao ao tempo se repete a 220 C, ou seja, o

    aumento da temperatura parece fazer efeito sobre a intensidade da degradao,

    mas esta parece ser independente do tempo.

    Na banda em torno de 2300 cm-1, atribuda presena de gs carbnico, se

    nota a formao de um pico que se intensifica com o aumento da temperatura e

    tempo. Isto indica que o processo induz a formao de CO, devido ao aquecimento

    do polmero em contato com oxignio.

    A Figura 5.21 mostra os espectros das amostras preparadas com o cilindro 2,

    de paredes finas. Os espectros foram defasados entre si pra permitir a visualizao

    e comparao.

  • 112

    Figura 5.21 - Espectros no Infreavermelho das Amostras Preparadas com o Cilindro de Concepo 2.

    Figura 5.22 - Es spectros no Infreavermelho das Amostras Preparadas com o Cilindro de Concepo 3.

  • 113

    Os espectros referentes s amostras preparadas com o cilindro de concepo

    3, com paredes grossas, apresentam amplitudes maiores na banda referente aos

    grupos cabonlicos, indicando maior efeito de degradao.Nas temperaturas de 180

    e 200C, no h aparente variao conforme varia o tempo. Para 220C o tempo de

    residncia do material passa a afetar a intensidade desta banda de absoro,

    aumentando significativamente de 10 a 50 minutos.

    Os resultados mostram que com o emprego do cilindro de parede fina

    (Concepo 2) a degradao no aumenta com a permanencia do material no

    interior do cilindro. Isto ocorre, pois, esta concepo no funde o material no seu

    interior.

    5.4.2 Ensaios de Trao

    A Tabela 5.5 apresenta de forma resumida os resultados quantitativos dos

    ensaios de trao.

    Os grficos dos ensaios de trao (tenso x deformao) das amostras,

    variando-se o tempo de residncia entre 10, 30 e 50 minutos, empregando a

    concepo 2 de parede fina, so apresentados nas Figura 5.23 (a) para Tp 180C,

    (b) 200C e (c) 220C.

  • 114

    Tabela 5.5- Resultados dos Ensaios de Trao

    (a)

    (b)

  • 115

    (c)

    Figura 5.23 - Grficos de Tenso x Deformao da Concepo 2 com Tp (a) 180C, (b) 200C e (c) 220C

    Os grficos das amostras preparadas empregando a concepo 3, de parede

    grossa, so apresentados nas Figura 5.24 (a) para Tp 180C, (b) 200C e (c) 220C.

    (a)

    (b)

  • 116

    (c)

    Figura 5.24 - Grficos de Tenso x Deformao Empregando a Concepo 3 com Tp (a) 180C, (b) 200C e (c) 220C

    Observando os grficos de tenso x deformao possvel notar a diferena

    entre o comportamento de resistncia mecnica trao entre as amostras

    preparadas pelas duas concepes de cilindro. O cilindro fino, gera filamentos com

    comportamento dctil mais constantes, isto , com baixa variao entre as amostras.

    O desvio padro dos resultados est geralmente abaixo de 10%, o que razovel. A

    concepo de cilindro se mostra flexvel para trabalhar com o polipropileno dentro da

    gama de temperaturas estudadas e eficiente termicamente, evitando a degradao

    do material, mesmo com tempo de permanncia longo. As propriedades no

    apresentaram grande variao mesmo para as condies mais severas de

    processamento.

    As propriedades mecnicas mensuradas com os ensaios se mostram

    condizentes com a literatura. Os filamentos gerados pelo cilindro fino apresentaram

    tenso mxima em torno de 30 MPa, comparativamente aos 32 MPa apontados para

    o mesmo material no processado, segundo o fabricante. O valor mdio mximo

    entre todas as combinaes de parmetros foi 31,3 MPa e o mnimo 28,7 MPa. O

    mdulo de elasticidade em torno de 1,2 GPa, est prximo ao 1,3 GPa sugerido pelo

    banco de dados de materiais MatWeb (MATWEB, 2012) para a graduao genrica

    de polipropileno para extruso. H apenas uma incidncia de valor abaixo de 1 GPa.

    A deformao at o escoamento foi em torno de 10%, comparado aos 14%

  • 117

    sugeridos pelo fabricante e maior variao de resultados, com valores de desvio

    padro mais altos.

    As amostras geradas pelo cilindro com paredes grossas apresentaram

    resultados muito mais instveis, com grande variao tanto interna a cada condio

    quanto entre as vrias condies de temperatura e tempo avaliadas. Os filamentos

    apresentaram comportamento mais frgil, com deformao at a ruptura mais baixa.

    Os valores das propriedades mecnicas tambm apresentaram queda em relao

    aos valores do cilindro fino. A tenso variou entre as combinaes de parmetros de

    16,1 MPa at 31,9 MPa e dentro de cada combinao o desvio padro geralmente

    acima dos 10%. O mesmo acontece com o mdulo de elasticidade, com valores de

    0,4 GPa a 1 GPa e desvio padro de at 36%, e para a deformao no escoamento,

    variando de 6 a 11% e desvio padro de at 43%.

  • 118

    6 CONCLUSES

    6.1 CONSIDERAES FINAIS

    Ao longo do desenvolvimento deste trabalho foi atentada impreterivelmente a

    simplicidade das solues dos requisitos. Seguindo esta premissa certas solues

    foram adotadas sem ponderao a outros critrios, talvez, melhores.

    No desenvolvimento do cabeote extrusor e concepo do cilindro de extruso

    preferiu-se manter o conjunto sem qualquer tipo de confinamento ou proteo. Com

    a concepo 2 do cilindro com parede fina a falta de proteo contra a irradiao de

    calor da resistncia tornou-se um problema para a definio de um substrato vivel.

    Foi verificado que a maior parte dos materiais avaliados foi reprovado no requisito de

    no empenamento. Sendo este principalmente devido a irradiao. Maior ateno

    poderia ter sido dada para o isolamento da resistncia, protegendo o substrato e

    ampliando a gama de materiais aplicveis.

    Para a execuo do trabalho foi montado um sistema mecnico e eletrnico de

    carter experimental. Isto implicou em uma srie de limitaes, em geral fora do

    escopo do trabalho, mas que melhorariam a operao da mquina. Uma das

    principais o controle e automao do processo. O controle automatizado de todo o

    processo, desde a aplicao do programa de planejamento do processo RP3 para

    gerar os cdigos de controle da mquina, at a fabricao dos modelos, com seu

    devido sensoriamento, agilizaria e facilitaria a sua operao. Isto permitiria maior

    eficincia na execuo do planejamento experimental.

    O estudo de extruso teve como objetivo conhecer o comportamento do

    filamento gerado pelo princpio de extruso estudado.A abordagem experimental

    adotada neste trabalho permitiu o conhecimento do comportamento para a condio

    especfica do trabalho. No entanto, as condies devem mudar de arranjo para

    arranjo. Uma avaliao baseada no na resposta final de uma condio (e.g. largura

    do filamento), mas do ponto mximo onde ainda pode-se mensurar e controlar(e.g.

  • 119

    presso do polmero fundido na extremidade do bico) geraria uma informao mais

    consistente e flexvel para aplicao em outras condies.

    O mtodo de obteno das amostras para a avaliao da degradao por

    espectroscopia no infravermelho e comparao dos ndices de carbonila e CO2,

    permitiu somente uma avaliao qualitativa da ocorrncia da degradao. As

    amostras preparadas pela deposio de filamentos adjacentes no apresentaram

    superfcie regular, como constatado na verificao da adeso lateral dos filamentos

    e ilustrado na Figura 5.19, o que dificulta a anlise. Um processo de moldagem

    poderia ser empregado, como descrito por Coaquira (2004), para regular a

    espessura e superfcie das amostras. Outros mtodos, descritos na Seo 2.7.4.

    poderiam ser empregados para avaliar a degradao do polmero.

    6.2 CONCLUSES

    O processo de fuso e deposio por mbolo com alimentao granulada se

    mostrou vivel para aplicao em manufatura aditiva, atingindo satisfatoriamente os

    requisitos descritos na Tabela 3.1.

    O cabeote extrusor desenvolvido no trabalho capaz de processar

    polipropileno granulado e o transformar em um filamento contnuo, e sem defeitos.

    Uma janela de processo foi definida e o comportamento do filamento descrito.

    Empregando o cilindro desenvolvido e sem fazer variao de parmetros de

    processo a vazo de extruso no constante, mas varia crescentemente at um

    certo nvel, onde se estabiliza. So necessrios aproximadamente 1200 mm de

    extruso para atingir a estabilizao do filamento. O controle dimensional do

    filamento no incio do processo ento no eficiente o que implica na necessidade

    de continuidade dos estudos.

    Dentro das condies avaliadas neste trabalho, isto , na produo de um

    filamento isolado e na associao para formar uma camada coesa (boa adeso

  • 120

    lateral), o polipropileno mostrou-se adequado aplicao em AM. No entanto, outros

    aspectos em relao a este material precisam ser avaliados.

    O cilindro de extruso projetado eficiente em restringir a fuso dos gros

    alimentados regio prxima da resistncia e com isto reduzir o volume de material

    fundido no seu interior e o tempo de exposio deste alta temperatura.

    A restrio do volume de material fundido se mostrou eficiente no controle dos

    efeitos negativos da degradao.Foi observada a ocorrncia de mudana da

    estrutura qumica do polmero pelo aumento da banda indicativa dos grupos

    carbonlicos, mas esta no pde ser mensurada. A nica configurao livre de

    degradao foi empregando o cilindro de concepo 2, projetado no trabalho, com

    temperatura 180C e tempo de exposio 10 minutos. No entanto, os resultados dos

    ensaios de trao mostraram que no h alterao significativa do ou do mdulo de

    elasticidade como tempo de permanncia do material no cilindro de extruso

    desenvolvido. Estas concluses indicam que ocorre a degradao do material, mas

    esta no repercute negativamente na resistncia mecnica do filamento gerado sob

    estas condies. Sem a preocupao de restrio do volume de material fundido,

    ilustrada pela concepo 3, a degradao observada de forma mais intensa e

    repercute sobre as propriedades mecnicas dos filamentos.

    6.3 RECOMENDAES PARA TRABALHOS FUTUROS

    Este trabalho,enquanto primeira avaliao de um princpio de funcionamento

    pouco explorado e cujas demandas de competncias so plenamente tangveis para

    o NUFER, abre precedentes para uma srie de trabalhos de pesquisa e

    desenvolvimento. Como resultados diretos das consideraes e concluses deste

    trabalho podem ser dadas algumas sugestes:

    Aperfeioamento mecnico do cabeote e bancada CNC: o dispositivo

    desenvolvido foi montado em carter experimental para permitir a execuo do

    trabalho e portanto passvel de vrias melhorias, como: Reforma para eliminao

  • 121

    de folgas e fontes potenciais de erros; Reprojeto do sistema de deslocamento em Z;

    Instalao de sistemas de posicionamento, como encoder; Ampliao do curso em

    Z; entre outros.

    Automao e controle:Um trabalho intenso necessrio na parte de controle e

    automao para facilitar a execuo de testes, como: Implementao de funes

    especficas deste sistema no cdigo G de controle; Implementao de

    sensoriamento dos parmetros relevantes para o controle do processo, como

    presso da massa fundida, torque do motor, velocidade do mbolo, entre outros;

    Pesquisa de mtodos de controle ou contorno para extruso: como foi visto nos

    resultados do trabalho, o princpio de extruso por mbolo com alimentao

    granulada, implica em um problema de variao da vazo de extruso. O controle ou

    contorno deste fenmeno fundamental para o emprego do processo para AM.

    Avano na avaliao dos requisitos de viabilidade: Neste trabalho foram

    verificados alguns requisitos para a viabilidade do princpio de extruso para AM,

    mas no foi possvel fazer a avaliao de todos. Faz-se necessrio investigar a

    adeso entre camadas e o resultado da formao de um volume maior de material.

    Otimizao e aperfeioamento do princpio de extruso por mbolo com

    alimentao granulada: complementarmente sugesto anterior de controle e

    automao, pode ser realizado um trabalho de aperfeioamento do sistema com:

    Instalao de um sistema de dosagem e realimentao automtica de gros;

    Instalao de um sistema de corte de extruso para melhorar a tomada e cesso da

    extruso; Pesquisar alternativas para fabricao de suporte.

  • 122

    REFERNCIAS

    AHN, S. H.; MONTERO, M.; ODELL, A; ROUNDRY, S.; WRIGHT, P. K. Anisotropic material properties of fused deposition modeling ABS,Rapid Prototyping Journal, v.8, n.14 p.248-257,2002. ANITHA, R.; ARUNACHALAM, S; HADRAKRISHNAN, P. Critical parameters influencing the quality of prototypes in fused deposition modelling, Journal of Materials Processing Tecnologies, v.118, p.385-388, 2001. ASTM.ASTM Standard F2792 - Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies, ASTM International, 2010. BRTOLO, P.J.; CHUA, C. K.; ALMEIDA, H. A.; CHOU, S. M.; LIM, A. S. C.Biomanufacturing for tissue engineering: Present and future trends, Virtual and Physical Prototyping, v.4, n.4 p.203-216, 2009. BELLEHUMEOUR, C. T.; LI, L.; SUN, Q.; GU, P. Modeling of Bond Formation Between Polymer Filaments in the Fused Deposition Modeling Process, Journal of Manufacturing Processes, v.6, n.2, p.170-178, 2004. BELLINI, A. Fused Deposition of Ceramics: A Comprehensive Experimental, Analytical and Computational Study of Material Behavior, Fabrication Process and Equipment Design.2002. 319f.Tese Drexel University,USA. BELLINI, A.; GERI, S. Mechanical characterization of parts fabricated using fused deposition modeling, Rapid Prototyping Journal, v.9, n.4, p.252-264, 2003. BELLINI, A.; SHOR, L.; GERI, S.New developments in fused deposition modeling of ceramics, Rapid Prototyping Journal, v.11, n.4, p.214-220, 2005. BITSFORBYTES.Bits for Bytes Rapman 3.1 3D Printer Kit. 2011. Disponvel em: . Acesso em: 10 de agosto de 2011. BOURELL, D. L.; LEU, M. C.; ROSEN, D. W. Roadmap for Additive Manufacturing: Identifying the Future of Freeform Processing.2009. 102f. Relatrio Universidade do Texas, USA.

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