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

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<ul><li><p>DAVID KRETSCHEK </p><p>DESENVOLVIMENTO DE UM CABEOTE DE EXTRUSO POR </p><p>MBOLO PARA POLIPROPILENO GRANULADO VISANDO A </p><p>MANUFATURA ADITIVA </p><p>Dissertao apresentada como requisito </p><p>parcial para obtenodo grau de Mestre </p><p>em Engenharia, do Programade Ps-</p><p>Graduao em Engenharia Mecnica e de </p><p>Materiais, Universidade </p><p>TecnolgicaFederal do Paran. rea de </p><p>Concentrao: Manufatura. </p><p>Orientador: Prof. Neri Volpato, Ph.D. </p><p>Co-orientador : Prof. Jos A. Foggiatto, Dr. Eng. </p><p>CURITIBA </p><p>2012 </p></li><li><p>TERMO DE APROVAO </p><p>DAVID KRETSCHEK </p><p>DESENVOLVIMENTO DE UM CABEOTE DE EXTRUSO </p><p>POR MBOLO PARA POLIPROPILENO GRANULADO </p><p>VISANDO A MANUFATURA ADITIVA </p><p>Esta Dissertao foi julgada para a obteno do ttulo de mestre em engenharia, </p><p>rea de concentrao em engenharia de manufatura, e aprovada em sua forma final </p><p>pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecncia e de Materiais. </p><p>_____________________________ </p><p>Prof. Giuseppe Pintade, Dr. Eng. </p><p>Coordenador de Curso </p><p>Banca Examinadora </p><p>Prof. Neri Volpato, Ph.D Jorge Vicente Lopes da Silva, Dr. Eng </p><p>(UTFPR) (CTI) </p><p>__________________________ _______________________________ </p><p>Prof. Carlos Ciulik, Ph.D Prof. Elaine Cristina de Azevedo, Dr.Eng </p><p>(UTFPR) (UTFPR) </p><p>__________________________ </p><p>Prof. Jos Aguiomar Foggiatto, D.Eng </p><p>(UTFPR) </p><p>Curitiba, 29 de Junho de 2012 </p></li><li><p>DEDICATRIA </p><p>Man kann alles verlieren in dieser Leben, </p><p>Aber niemand kann dir die Erziehung wegnehmen. </p><p>Aos meus pais e irmo, que me deram o que h de mais </p><p>importante na vida. Amor, educao e exemplo. </p></li><li><p>AGRADECIMENTOS </p><p>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. </p><p>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. </p><p>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. </p><p>A todos estes que no falharam em me ajudar e para os quais eu espero nunca falhar. </p><p>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. </p></li><li><p>RESUMO </p><p> KRETSCHEK, David. Desenvolvimento de um Cabeote de Extruso por mbolo </p><p>para Polipropileno Granulado Visando a Manufatura Aditiva. 2012. 131 f. Dissertao </p><p>(Mestrado em Engenharia Mecnica) Programa de Ps-Graduao em Engenharia </p><p>Mecnica e de Materiais. Universidade Tecnolgica Federal do Paran. Curitiba. </p><p>2012. </p><p>Um dos processos de manufatura aditiva mais popularesse baseia na fuso e </p><p>deposio do material. O princpio de funcionamento aplicado nestes equipamentos </p><p>restringe o fornecimento de matria-prima, principalmente no mercado nacional, e a </p><p>gama de materiais aplicveis. O desenvolvimento de um equipamento capaz de </p><p>processar o material na forma granulada contribuiria para a popularizao do </p><p>processo e para a ampliao da gama de materiais disponveis a serem utilizados. </p><p>Este trabalho descreve o desenvolvimento de um cabeote de extruso capaz de </p><p>processar polipropileno granulado e extrud-lo em forma de filamento contnuo e </p><p>controlado. Este foi projetado de forma a reduzir o efeito da degradao sobre o </p><p>material. Experimentos foram conduzidos a fim de caracterizar o comportamento </p><p>dimensional dos filamentos gerados e assim permitir o seu melhor controle. A </p><p>degradao do material no interior do cilindro aquecido foi avaliada por ensaios de </p><p>espectroscopia no infravermelho e de trao em amostras de filamentos. Os </p><p>resultados dos experimentos de extruso mostraram que os filamentos apresentam </p><p>variao de vazo ao longo do comprimento extrudado, sendo que a sua largura </p><p>aumenta at atingir um patamar onde estabiliza. Os ensaios de espectroscopia </p><p>mostram ocorrer degradao dentro do cilindro aquecido, mas os efeitos negativos </p><p>sobre a resistncia mecnica dos filamentos so menos acentuados quando </p><p>empregando o cabeote projetado. Concluiu-se que o princpio de extruso por </p><p>mbolo com alimentao granulada vivel, necessitando, no entanto, desenvolver </p><p>mecanismos de controle da extruso mais adequados ao processo. </p><p>Palavras-Chave: Manufatura Aditiva. Processos baseados em Fuso e Deposio. </p><p>FDM. </p></li><li><p>ABSTRACT </p><p>KRETSCHEK, David. Development of a Piston Driven Extrusion Head Fed with </p><p>Granulated Polypropylene for Additive Manufacturing Application. 2012. 131 f. </p><p>Dissertao (Mestrado em Engenharia Mecnica) Programa de Ps-Graduao </p><p>em Engenharia Mecnica e de Materiais. Universidade Tecnolgica Federal do </p><p>Paran. Curitiba. 2012. </p><p>One of the most popular additive manufacturing processes is based on </p><p>fuseddeposition of the material. The principleapplied to these machines makes </p><p>difficult to find suppliers of raw materials, especially in brazilian market, and narrow </p><p>the variety of materials applicable. The development of equipment able to process </p><p>the material in the granular form will contribute to the process popularization and </p><p>extension of available material to be used. This work describes the development of </p><p>an extrusion head capable to process polypropylene granules and extrudeit as </p><p>continuous and controlled filament. The extrusion head was designed in order to </p><p>minimize the volume of material to be fused and reduce the effect of material </p><p>degradation. Experiments were conducted to characterize the dimensional behavior </p><p>of the filaments generated and thus allow its better control. The material degradation </p><p>inside the extrusion head was assessed by infrared spectroscopyand its negative </p><p>effects over filaments strength by tensile tests.The results of the extrusion </p><p>experiments showed that the filaments have flow variation along the extruded length, </p><p>following an increasing curve until a value where its average stabilizes. Spectroscopy </p><p>showed that degradation occurs inside the heated cylinder, but its negative effects on </p><p>material strength are less intense when using the designed extrusion head. It was </p><p>concluded that the extrusion plunger principle with granulated feeding is viable for </p><p>Additive Manufacturing, requiring, however, better control mechanisms of the </p><p>extrusion to enable the manufacture of uniform and cohesive parts. </p><p>Keywords: Additive Manufacturing. Fused Deposition based processes. FDM. </p></li><li><p>LISTA DE FIGURAS </p><p>FIGURA 2.1 - CABEOTE DE EXTRUSO FDM ..................................................... 25 </p><p>FIGURA 2.2 - FUNCIONAMENTO DO CABEOTE DE EXTRUSO DA FDM ........ 26 </p><p>FIGURA 2.3 - PARMETROS DE PREENCHIMENTOS DAS CAMADAS. .............. 27 </p><p>FIGURA 2.4 - ESTRUTURA TPICA DE PEA FABRICADA POR FDM .................. 28 </p><p>FIGURA 2.5 - ESTRUTURAS COM GAP NEGATIVO (A) E NULO (B) .................... 28 </p><p>FIGURA 2.6 - CURVAS TENSO-DEFORMAO DOS CORPOS DE ABS ........... 29 </p><p>FIGURA 2.7 - EQUIPAMENTO BITS FOR BYTES (A), MAKERBOT (B) E REPRAP </p><p>(C) ...................................................................................................... 31 </p><p>FIGURA 2.8 PEA DE PP (ESQ.) E ABS (DIR.) FABRICADAS PELA BITS FOR </p><p>BYTES ............................................................................................... 32 </p><p>FIGURA 2.9 - FLAMBAGEM DO FILAMENTO ......................................................... 34 </p><p>FIGURA 2.10 - EQUIPAMENTO MED (A) E DETALHE DA ROSCA DE EXTRUSO </p><p>(B) ...................................................................................................... 34 </p><p>FIGURA 2.11 - CABEOTE EXTRUSOR DESENVOLVIDO PARA FAB@HOME ... 35 </p><p>FIGURA 2.12 - PEAS FABRICADAS EM EVA ....................................................... 36 </p><p>FIGURA 2.13 - ESQUEMA DO EQUIPAMENTO (A), 1 ROSCA FABRICADA (B) E </p><p>EQUIPAMENTO MONTADO (C) ....................................................... 38 </p><p>FIGURA 2.14 - EQUIPAMENTO DESENVOLVIDO .................................................. 39 </p><p>FIGURA 2.15 - ESTRUTURAS FABRICADAS PELO EQUIPAMENTO .................... 40 </p><p>FIGURA 2.16 - SISTEMA ROTATIVO PNEUMTICO (A) E COM ROSCA (B) ........ 41 </p><p>FIGURA 2.17 - PEAS FEITAS PELA BIOEXTRUDER (A) E (B) E DETALHE DOS </p><p>FILAMENTOS (C) .............................................................................. 41 </p><p>FIGURA 2.18 - EQUIPAMENTO DESENVOLVIDO POR LU ET AL. ........................ 42 </p></li><li><p>FIGURA 2.19 - RELAO DA MASSA MOLECULAR COM ALGUMAS </p><p>PROPRIEDADES DOS POLMEROS: A = MDULO ELSTICO, B = </p><p>RESISTNCIA TRAO E C = DUREZA ...................................... 43 </p><p>FIGURA 2.20 - CONFORMAO ALEATRIA E RESTRIES DA ESTRUTURA </p><p>DE UMA CADEIA CARBNICA ......................................................... 44 </p><p>FIGURA 2.21 - ESTIRAMENTO DAS MACROMOLCULAS NA ENTRADA DO </p><p>CAPILAR ............................................................................................ 45 </p><p>FIGURA 2.22 - ROSCA DE PROCESSAMENTO DE POLMEROS ......................... 45 </p><p>FIGURA 2.23 - ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DE REMETRO CAPILAR ..... 46 </p><p>FIGURA 2.24 - INCHAMENTO DO EXTRUDADO .................................................... 47 </p><p>FIGURA 2.25 - INCHAMENTO DO EXTRUDADO EM FUNO DA TAXA DE </p><p>CISALHAMENTO A DIFERENTES TEMPERATURAS ..................... 47 </p><p>FIGURA 2.26 - FRATURA DO FUNDIDO ................................................................. 48 </p><p>FIGURA 2.27 - FRMULA DO POLIPROPILENO .................................................... 51 </p><p>FIGURA 2.28 - CONFORMAO EM ESPIRAL DA FASE CRISTALINA DO </p><p>POLIPROPILENO ISOTTICO HOMOPOLMERO ........................... 52 </p><p>FIGURA 3.1 - DISPOSITIVO DE TESTE DE EXTRUSO ........................................ 56 </p><p>FIGURA 3.2 - COMPONENTES DO DISPOSITIVO DE TESTES ............................. 56 </p><p>FIGURA 3.3 - ILUSTRAO DO FUNCIONAMENTO PRETENDIDO DO SISTEMA </p><p>EXTRUSOR. ...................................................................................... 58 </p><p>FIGURA 3.4 - CONCEPES AVALIADAS POR SIMULAO: (A) COM ALETAS E </p><p>(B) COM PAREDE FINA. ................................................................... 59 </p><p>FIGURA 3.5RESULTADOS DA SIMULAO NO CILINDRO COM ALETAS (A) E </p><p>DE PAREDE FINA(B). ....................................................................... 60 </p><p>FIGURA 3.6 - DESENHO DETALHADO DA CONCEPO 2. ................................. 63 </p></li><li><p>FIGURA 3.7DESENHO DETALHADO DA CONCEPO 3 ................................... 64 </p><p>FIGURA 3.8 - CABEOTE EXTRUSOR ................................................................... 65 </p><p>FIGURA 3.9 SISTEMA DE CONTROLE DA TEMPERATURA .............................. 68 </p><p>FIGURA 3.10 - BANCADA CNC ................................................................................ 69 </p><p>FIGURA 3.11 - SISTEMA DE CONTROLE DO EQUIPAMENTO PROTTIPO ....... 70 </p><p>FIGURA 3.12 - EQUIPAMENTO PROTTIPO COM PERIFRICOS ....................... 71 </p><p>FIGURA 3.13 - ILUSTRAO DOS PARMETROS DE EXTRUSO ..................... 72 </p><p>FIGURA 3.14 - MOVIMENTAO SEGUNDO X E Y ............................................... 74 </p><p>FIGURA 4.1 - FLUXOGRAMA DAS ETAPAS EXPERIMENTAIS ............................. 76 </p><p>FIGURA 4.2 - POSIO DOS TERMOPARES AO LONGO DO CILINDRO ............ 78 </p><p>FIGURA 4.3 - TRAJETRIA PARA ANLISE DOS FILAMENTOS DE 250 MM ...... 82 </p><p>FIGURA 4.4 - TRAJETRIA PARA A ANLISE DOS FILAMENTOS DE 1450 MM . 84 </p><p>FIGURA 4.5 - PONTOS DE MEDIES DAS AMOSTRAS DE 1450 MM ............... 85 </p><p>FIGURA 4.6 - PONTOS DE MEDIES DAS AMOSTRAS DE 4000 MM ............... 86 </p><p>FIGURA 4.7 - TRAJETRIA DE VERIFICAO DA ADESO ................................ 87 </p><p>FIGURA 4.8- TRAJETRIA DE PREPARAO DAS AMOSTRAS DO ENSAIO DE </p><p>TRAO ............................................................................................ 90 </p><p>FIGURA 5.1 - GRFICO TEMPERATURA X TEMPO CONFORME ALTURA DO </p><p>CILINDRO PARA TP=180C .............................................................. 91 </p><p>FIGURA 5.2 - GRFICO TEMPERATURA X TEMPO CONFORME ALTURA DO </p><p>CILINDRO PARA TP=200C .............................................................. 92 </p><p>FIGURA 5.3 - GRFICO TEMPERATURA X TEMPO CONFORME ALTURA DO </p><p>CILINDRO PARA TP=220C .............................................................. 92 </p><p>FIGURA 5.4 - AMOSTRA DE MATERIAL ALIMENTADO A 200C, MAS NO </p><p>COMPRIMIDO ................................................................................... 94 </p></li><li><p>FIGURA 5.5 - PERFIL DA TEMPERATURA AO LONGO DO CILINDRO ................. 94 </p><p>FIGURA 5.6 - AMOSTRAS DO MATERIAL FUNDIDO A TP 180C (A), 200C (B), </p><p>220C (C) E TODAS AS AMOSTRAS JUNTAS (D) ........................... 95 </p><p>FIGURA 5.7 - ASPECTO DO CONTATO FILAMENTO-POLIURETANO ................. 97 </p><p>FIGURA 5.8 - GRFICO DOS RESULTADO DO FILAMENTO DE 250 MM ............ 98 </p><p>FIGURA 5.9 - GRFICO DE DISPERSO DO DESVIO PADRO ......................... 100 </p><p>FIGURA 5.10 - GRFICO DOS EFEITOS DOS PARMETROS NA LARGURA DO </p><p>FILAMENTO PARA VM DE 2MM/S ................................................. 101 </p><p>FIGURA 5.11 - MICROGRAFIAS DOS FILAMENTOS EXTRUDADOS A 180 C, VD </p><p>135 MM/MIN E VE (A) 0,008, (B) 0,019 E (C) 0,043 MM/S. ............ 102 </p><p>FIGURA 5.12MICROGRAFIA DOS DEFEITOS NAS AMOSTRAS DE </p><p>FILAMENTOS EXTRUDADOS (A) ESTRICO, (B) FRATURA E (C) </p><p>INCLUSO ....................................................................................... 103 </p><p>FIGURA 5.13 - GRFICO DAS LARGURAS MDIAS DOS ENSAIOS COM </p><p>FILAMENTOS DE 1450 MM ............................................................ 105 </p><p>FIGURA 5.14 GRFICO DAS LARGURAS MDIAS DOS ENSAIOS 1 E 4 COM </p><p>FILAMENTOS DE 1450MM ............................................................. 106 </p><p>FIGURA 5.15 - GRFICO DAS MEDIES DE LARGURA DO FILAMENTO DE </p><p>4000 MM .......................................................................................... 107 </p><p>FIGURA 5.16- GRFICO DAS REAS DO FILAMENTO DE 4000 MM ................. 108 </p><p>FIGURA 5.17 - GRFICO DE CORES EM FUNO DA ALTURA EM Z ............... 109 </p><p>FIGURA 5.18AMOSTRA PARA VERIFICAO DO PERFIL DE ALTURA E </p><p>INDICAO DO PLANO DE CORTE .............................................. 110 </p><p>FIGURA 5.19 - PERFIL DE ALTURA DO INCIO DA AMOSTRA ........................... 110 </p><p>FIGURA 5.20 - PERFIL DE ALTURA DO FIM DA AMOSTRA ................................ 110 </p></li><li><p>FIGURA 5.21 - ESPECTROS NO INFREAVERMELHO DAS AMOSTRAS </p><p>PREPARADAS COM O CILINDRO DE CONCEPO 2. ............... 112 </p><p>FIGURA 5.22 - ES SPECTROS NO INFREAVERMELHO DAS AMOSTRAS </p><p>PREPARADAS COM O CILINDRO DE CONCEPO 3. ............... 112 </p><p>FIGURA 5.23 - GRFICOS DE TENSO X DEFORMAO DA CONCEPO 2 </p><p>COM TP (A) 180C, (B) 200C E (C) 220C .................................... 115 </p><p>FIGURA 5.24 - GRFICOS DE TENSO X DEFORMAO EMPREGANDO A </p><p>CONCEPO 3 COM TP (A) 180C, (B) 200C E (C) 220C ......... 116 </p></li><li><p>LISTA DE TABELAS </p><p>TABELA 2.1 - PROPRIEDADES DO POLIPROPILENO H301 DA BRASKEM ......... 52 </p><p>TABELA 3.1 REQUISITOS BSICOS DE PROJETO PARA CABEOTE DE </p><p>EXTRUSO ....................................................................................... 54 </p><p>TABELA 3.2 - PARMETROS DAS SIMULAES TRMICAS .............................. 59 </p><p>TABELA 3.3- PARMETROS PID DO CONTROLADOR ......................................... 68 </p><p>TABELA 4.1 - PLANEJAMENTO DA ANLISE DE FUSO DO CILINDRO ............. 77 </p><p>TABELA 4.2 - ETAPAS DE AQUISIO DO PERFIL DE TEMPERATURA AO </p><p>LONGO DO CILINDRO ...................................................................... 78 </p><p>TABELA 4.3- ETAPAS DE PREPARAO DAS AMOSTRAS DE MASSA FUNDIDA</p><p> ........................................................................................................... 79 </p><p>TABELA 4.4 - TIPOS DE SUBSTRATOS ................................................................. 80 </p><p>TABELA 4.5 - PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL 3 DA EXTRUSO EM 250 MM</p><p> ........................................................................................................... 83 </p><p>TABELA 4.6- PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL DE ESPECTROSCOPIA NO </p><p>INFRAVERMELHO ............................................................................ 89 </p><p>TABELA 5.1 - RESULTADOS DOS TESTES DE SUBSTRATO .............................. 96 </p><p>TABELA 5.2 - RESULTADOS RESUMIDOS DOS FILAMENTOS DE 250MM ......... 99 </p><p>TABELA 5.3 - RESULTADOS RESUMIDOS DE EXTRUSO EM 1450 MM .......... 105 </p><p>TABELA 5.4- TABELA DOS RESULTADOS RESUMIDOS DE REA DOS </p><p>FILAMENTOS DE 4000 MM ............................................................ 107 </p><p>TABELA 5.5- RESULTADOS DOS ENSAIOS DE TRAO ................................... 114 </p></li><li><p>LISTA DE ACRNIMOSE SIGLAS </p><p> ABS Acrilonitrila-Butadieno-Estireno (Acrylonitrile-Butadiene-Styrene) </p><p>AM Manufatura Aditiva (Additive Manufacturing) </p><p>CAD Projeto Auxiliado por Computador (Computer Aided Design) </p><p>Cf Cilindro de Parede Fina </p><p>Cm Cilindro de Parede Grossa </p><p>CNC Controle Numrico Computadorizado (Computer Numerical Control) </p><p>DACOC Departamento Acadmico de Construo Civil </p><p>Dp Desvio Padro </p><p>EMC2 Programa de controle CNC para plataforma LINUX (Enhanced Machine </p><p>Control) </p><p>EVA Etileno Acetato de Vinila (Ethylene Vinyl Acetate) </p><p>FD Fuso e Deposio (Fused Deposition) </p><p>FDC Fuso e Deposio de Cermicos (Fused Deposition of Ceramics) </p><p>FDM Modelagem

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