desenvolvimento do protÓtipo de vassouras … · o desenvolvimento e determinação do design de...

Faculdade de Tecnologia José Crespo Gonzales

Relatório Final

DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO DE VASSOURAS

POLIMÉRICAS - MATRIZ

Aluno: Max Willian Gatti

Orientadora: Profa. Dra. Luciana Sgarbi Rossino

Coorientador: Prof. Carlos Eduardo Correa

SOROCABA/SP

2015

RESUMO

Este trabalho faz parte de um conjunto de projetos direcionados à

fabricação de uma vassoura plástica e propõe um modelo de matriz tubular,

incluindo desenhos com vistas necessárias e dimensionamento, para a extrusão

do cabo do produto.

Com o auxílio de Software Computadorizado (Solid Works), tornou-se

possível o desenvolvimento da ferramenta baseada em um modelo já existente.

O novo modelo obtido permitiu uma melhor visualização e adequação da

ferramenta às especificações do produto e a definição do material usado na

construção da matriz, além de fornecer as informações necessárias à posterior

fabricação da matriz e garantir a possibilidade de alteração das dimensões e

características em caso de não conformidades em relação à máquina utilizada.

Palavras-chave: Vassoura plástica, matriz de extrusão, extrusão de tubos,

perfis plásticos, tubos poliméricos.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Funcionamento de uma extrusora de tubos ....................................... 9

Figura 2 – Perfis que podem ser obtidos no processo de extrusão. ................... 9

Figura 3 - Matriz de extrusão do tipo Direta. .................................................... 10

Figura 4 – Matriz do tipo Aranha. ..................................................................... 11

Figura 5 – Processo de extrusão para tubos. ................................................... 12

Figura 6 - Calibração com ar comprimido. ....................................................... 13

Figura 7 - Calibração com vácuo. ..................................................................... 13

Figura 8 – Vista Frontal: Cabo .......................................................................... 15

Figura 9 – Vista Lateral do sistema para pendurar a vassoura: Cabo. ............. 15

Figura 10 - Vista Lateral com quebra: Cabo. .................................................... 15

Figura 11 – Modelo 3D: Cabo. ......................................................................... 16

Figura 12 - Vista frontal: Estrela. ...................................................................... 17

Figura 13 - Vista de Seção A-A e Detalhe A: Estrela. ...................................... 18

Figura 14 – Vista Superior: Estrela. .................................................................. 18

Figura 15 – Modelo 3D: Estrela. ....................................................................... 19

Figura 16 – Vista Frontal: Flange Base de fixação. .......................................... 19

Figura 17 – Vista de Seção A-A: Flange Base de fixação. ............................... 20

Figura 18 – Detalhe B: Flange Base de fixação. .............................................. 20

Figura 19 – Vista seção C-C. ........................................................................... 21

Figura 20 – Modelo 3D: Flange Base de fixação. ............................................. 21

Figura 21 – Vistas frontal e lateral direita: Flange de fixação da matriz. .......... 22

Figura 22 – Modelo 3D: Flange de fixação da matriz. ...................................... 22

Figura 23 – Vista Frontal: Flange Espaçadora. ................................................ 23

Figura 24 – Vista Superior: Flange Espaçadora. .............................................. 23

Figura 25 – Vista de Seção A-A: Flange Espaçadora. ..................................... 24

Figura 26 – Modelo 3D: Flange Espaçadora. ................................................... 24

Figura 27 – Vista frontal: Matriz. ....................................................................... 25

Figura 28 – Vista Lateral Esquerda: Matriz. ..................................................... 25

Figura 29 – Detalhe B: Matriz. .......................................................................... 26

Figura 30 – Modelo 3D: Matriz. ........................................................................ 26

Figura 31 – Vista Lateral Esquerda: Torpedo. .................................................. 27

Figura 32 – Vista Frontal: Torpedo. .................................................................. 27

Figura 33 – Modelo 3D em corte: Torpedo ....................................................... 28

Figura 34 – Modelo 3D: Torpedo. ..................................................................... 28

Figura 35 – Identificação de cada componente do conjunto. ........................... 29

Figura 36 – Vista Lateral Esquerda: Montagem. .............................................. 30

Figura 37 – Modelo 3D em corte: Montagem. .................................................. 30

Figura 38 – Modelo 3D: Montagem. ................................................................. 31

Figura 39 – Vista explodida: Montagem. .......................................................... 31

LISTA DE TABELAS

Tabela 1– Lista de peças, material e quantidade. ............................................ 29

SUMÁRIO

1.INTRODUÇÃO ................................................................................................ 7

2. PESQUISA ..................................................................................................... 8

2.1. Introdução ao processamento de plásticos. ............................................. 8

2.2. Matriz ....................................................................................................... 9

3. OBJETIVO .................................................................................................... 14

4. MATERIAIS E MÉTODOS............................................................................ 14

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................................. 16

6. CONCLUSÃO ............................................................................................... 32

7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ........................................... 32

8. REFERÊNCIAS ............................................................................................ 33

7

1. INTRODUÇÃO

Desde os primórdios da vida humana o homem faz uso dos materiais

disponíveis na natureza para realizar suas atividades e garantir sua

sobrevivência. Com isso, ao longo dos anos cada vez mais materiais foram

descobertos e desenvolvidos, buscando sempre facilitar a execução das tarefas

cotidianas, sejam elas industriais ou domiciliares. (CALLISTER, William;

RETHWISCH, David. 2013, p.2)

Dentre as matérias-primas mais exploradas atualmente encontram-se os

metais, as cerâmicas e os polímeros, considerando que este último vem

ganhando uma maior utilização na fabricação e concepção de novos produtos

desde o século XX, permitindo até substituir outros materiais dependendo da

aplicação. (CANEVAROLO, Sebastião. 2006, p.19)

Em meio aos diversos produtos altamente comercializados hoje, que

possuem algum componente plástico em sua constituição e ainda podem sofrer

melhorias encontram-se as vassouras, que apesar de geralmente apresentar a

base fabricada com um polímero, possuem o cabo de madeira ou metal.

No caso do cabo de madeira, segundo dados obtidos no trabalho

Madeira Envelhecida disponível no site da UFPR, o mau uso ou a intensa

exposição a fatores ambientais, como chuva e sol, podem fazê-lo empenar e/ou

quebrar. Já os cabos metálicos, conforme podem oxidar ao longo do tempo e

quebrar durante o uso, favorecendo a ocorrência de acidentes domésticos, além

de encarecerem o produto final. (CALLISTER, William; RETHWISCH, David.

2013, p.599-601)

Tomando por base as ideias já apresentadas em relação aos materiais

que, na maioria das vezes, compõem as vassouras e a imensa gama de

8

propriedades e possibilidades de aplicações que pode ser conferida aos

materiais poliméricos, o trabalho realizado tem como principal meta a inovação

e a melhoria do produto em questão, propondo o desenvolvimento de uma

vassoura produzida inteiramente em plástico.

O Projeto do produto será dividido em partes a serem desenvolvidas

separadamente devido à quantidade de componentes diferentes do produto.

Este trabalho trata do desenvolvimento de um modelo de matriz de extrusão em

3D, com dimensões estimadas com base em um modelo existente, para a

fabricação do cabo.

2. PESQUISA

2.1. Introdução ao processamento de plásticos.

Devido, principalmente, à sua facilidade de processamento, o uso dos

polímeros vem crescendo cada vez mais. A matéria-prima pode passar por

diversos processamentos até ganhar alguma utilidade. Um dos processos

amplamente utilizados é a extrusão, que se caracteriza pela transformação

constante de matéria-prima em produto.

O princípio de funcionamento de uma extrusora é o seguinte: uma ou

mais roscas inseridas em um canhão cilíndrico aquecido promove o transporte

do material peletizado ou em pó ao mesmo tempo fundindo-o e compactando-o,

formando uma massa polimérica altamente viscosa que é forçada através de

uma matriz que definirá sua forma. O perfil, então, é resfriado para a obtenção o

produto final.

9

2.2. Matriz

Dentre os diversos componentes de uma extrusora, encontra-se a matriz

de extrusão, que é responsável pela moldagem do polímero e definição de sua

forma final. A Figura 1 mostra um esquema de funcionamento de uma extrusora

de tubos.

Figura 1 - Funcionamento de uma extrusora de tubos

Fonte: ABIPLAST

São diversos os perfis que podem ser obtidos de acordo com a matriz

construída, desde produtos tubulares a retangulares. Alguns deles podem ser

visualizados na Figura 2.

Figura 2 – Perfis que podem ser obtidos no processo de extrusão.

Fonte: Abiplast

10

O desenvolvimento e determinação do design de uma matriz é um

processo complexo e difícil. Apesar do amplo conhecimento atual sobre os

princípios e comportamento dos polímeros fundidos, o processo de

planejamento e construção de uma matriz exige uma certa experiência.

O tipo de matriz utilizado na extrusão de tubos é, normalmente, do tipo

direta, em que o material fundido é forçado contra a ferramenta. Alguns dos

componentes da matriz de extrusora estão apresentados na Figura 3.

Figura 3 - Matriz de extrusão do tipo Direta.

Fonte: Fundação Santo André

A extrusão de tubos também pode ser realizada com o auxílio de uma

matriz do tipo aranha (2 patas) (Figura 4). O ponto negativo é que este modelo

causa frentes de fluxo que resultam em linhas de solda no sentido longitudunal

devido à união no mandril. Se a temperatura se mantiver elevada e a matriz for

comprida o material da linha de emenda fluirá por mais tempo, fortalecendo as

linhas de emenda no produto final.

11

Figura 4 – Matriz do tipo Aranha.

Fonte: Fundação Santo André.

O dimensionamento da matriz deve considerar também o inchamento e

contração do extrudado, respeitando a seguinte equação:

Onde: D1 = Diâmetro interno da matriz

D2 = Diâmetro externo da matriz

D = Diâmetro externo do tubo

Sr = Espessura da parede do tubo

IE = razão de inchamento (%)

As matrizes são construídas com seções longas para que as moléculas

de polímeros se alinhem. Isso é importante porque a orientação influencia nas

propriedades físicas do polímero, como resistência, módulo e alongamento

máximo. Módulo baixo e resistência indicam a diminuição do enovelamento e

rearranjo das moléculas ao invés do rompimento das ligações. A orientação das

cadeias torna essas propriedades anisotrópicas, o que significa que elas variam

em direções diferentes.

12

2.3. Extrusão de tubos e canos

O material é plastificado, passa pela matriz onde tomará sua forma, passa

por um sistema de resfriamento e calibração e depois pode ser cortado. A linha

básica do processo de extrusão está apresentada na Figura 5, na qual o material

plastificado passa pela matriz, onde toma a forma desejada, depois pelo

calibrador/resfriamento, onde o produto terá as dimensões mantidas enquanto é

resfriado. À frente o puxador leva o produto adiante, para ser cortado, chegando, enfim,

ao fim do processo.

Figura 5 – Processo de extrusão para tubos.


2.4. Calibração

Na extrusão de tubos o material que sai da matriz passa por um calibrador,

que baixa a temperatura mantendo a sua forma, sendo resfriado em seguida

num banho de água. Nesse sentido, a calibração é um processo extremamente

importante, pois evita problemas maiores no produto como dimensional incorreto

e a junção das bordas do tubo.

As duas principais formas de calibração são:

- CALIBRAÇÃO COM AR COMPRIMIDO: O ar comprimido prensa o tubo

contra a parede do sistema, entrando por um canal existente na estrela,

passando também pelo torpedo (abordados mais adiante neste trabalho). As

pressões que são recomendadas para o processo são de 0,2 á 1,5 atm para

paredes finas e 6 á 15 atm para paredes grossas. (Figura 6)

13

Figura 6 - Calibração com ar comprimido.


- CALIBRAÇÃO COM VÁCUO: Placa perfurada que faz com que o vácuo

puxe o material para a parede. (Figura 7)

Figura 7 - Calibração com vácuo.


14

3. OBJETIVO

O principal objetivo deste projeto é o desenvolvimento do desenho 3D e

dimensionamento estimado da matriz tubular, de forma que, posteriormente,

possa ser construída e utilizada na extrusão do cabo da vassoura plástica. Outro

ponto almejado é a apresentação de dados consistentes e informações claras

que possibilitem a fabricação da matriz para o posterior uso na obtenção de

perfis plásticos tubulares, nesse caso, o cabo.

4. MATERIAIS E MÉTODOS

Para a realização deste trabalho, inicialmente, desenvolveu-se uma

ampla pesquisa em livros e Sites a respeito do processo de extrusão de plástico

e fabricação de matrizes, e consultou-se um especialista, com anos de

experiência na área, sobre os processos de fabricação, as dimensões, matéria-

prima e os modelos mais indicados à construção da matriz.

Em seguida, utilizou-se as informações obtidas através do levantamento

de dados para a modelagem da ferramenta com o auxílio de um Software 3D

para computador (Solid Works 2013 x64 Edition). Os desenhos 2D com as vistas

necessárias e as imagens foram criados e capturados através do mesmo

programa. O dimensionamento da matriz foi realizado de acordo com as

especificações do produto, conforme as Figuras 8, 9, 10 e 11.

15

Figura 8 – Vista Frontal: Cabo

Fonte: Autoria própria.

Figura 9 – Vista Lateral do sistema para pendurar a vassoura: Cabo.


Figura 10 - Vista Lateral com quebra: Cabo.


16

Figura 11 – Modelo 3D: Cabo.


Segundo as bibliografias pesquisadas e informações obtidas com

profissionais da área, o polímero contrai cerca de 22% de seu volume quando

resfria. Como o diâmetro projetado para o cabo é de 22 mm, o valor que a matriz

deverá ter de diâmetro externo para que se consiga essa dimensão é de,

aproximadamente, 26,8 mm. A partir desses valores, foram determinadas as

outras dimensões da matriz.

A escolha do material foi feita com base nas necessidades do produto e

levantamento de dados a respeito dos materiais comumente utilizados na

fabricação de matrizes.

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A matriz de obtenção do cabo da vassoura plástica é composta por um

conjunto de 6 peças:

- Estrela;

- Flange base de fixação;

- Flange de fixação da matriz;

- Flange Espaçadora;

- Matriz – diâmetro 26,8.

17

- Torpedo.

A estrela é a peça responsável pelo direcionamento do fluxo de material

fundido e de permitir a entrada de ar que caminhará pelo torpedo até chegar ao

interior do tubo. As cotas e vistas necessárias podem ser visualizadas nas

Figuras 12, 13, 14 e 15.

Figura 12 - Vista frontal: Estrela.


18

Figura 13 - Vista de Seção A-A e Detalhe A: Estrela.


Figura 14 – Vista Superior: Estrela.


19

Figura 15 – Modelo 3D: Estrela.


A Flange Base de fixação é a peça responsável por permitir a fixação do

conjunto na máquina extrusora. Essa peça possui um canal interno por onde

passará o plástico fundido, conforme as Figuras 16, 17, 18, 19 e 20.

Figura 16 – Vista Frontal: Flange Base de fixação.


20

Figura 17 – Vista de Seção A-A: Flange Base de fixação.


Figura 18 – Detalhe B: Flange Base de fixação.


21

Figura 19 – Vista seção C-C.


Figura 20 – Modelo 3D: Flange Base de fixação.


A Flange de fixação da matriz é a peça que prende a matriz à Flange

Espaçadora, prendendo também a matriz. As dimensões são apresentadas nas

Figuras 21 e 22.

22

Figura 21 – Vistas frontal e lateral direita: Flange de fixação da matriz.


Figura 22 – Modelo 3D: Flange de fixação da matriz.


A flange espaçadora é o componente promove o afastamento entre a

Flange de fixação da matriz e a estrela, possibilitando o encaixe do torpedo e da

23

matriz entre as peças. O dimensionamento da Flange Espaçadora está

apresentado nas Figuras 23, 24, 25 e 26.

Figura 23 – Vista Frontal: Flange Espaçadora.


Figura 24 – Vista Superior: Flange Espaçadora.


24

Figura 25 – Vista de Seção A-A: Flange Espaçadora.


Figura 26 – Modelo 3D: Flange Espaçadora.


A matriz, é o componente responsável por dar a forma desejável ao

produto. Possui dimensões específicas que levam em consideração as

características de contração do polímero utilizado visando buscando a melhor

estabilidade dimensional possível para garantir a qualidade do produto final. As

dimensões da matriz encontram-se nas Figuras 27, 28, 29 e 30.

25

Figura 27 – Vista frontal: Matriz.


Figura 28 – Vista Lateral Esquerda: Matriz.


26

Figura 29 – Detalhe B: Matriz.


Figura 30 – Modelo 3D: Matriz.


27

Juntamente com a matriz, o Torpedo permite a formação do produto e

possibilita a passagem de ar pelo interior da peça evitando que as paredes se

colem causando a perda do produto. A representação do torpedo está

apresentada nas Figuras 31, 32, 33 e 34.

Figura 31 – Vista Lateral Esquerda: Torpedo.


Figura 32 – Vista Frontal: Torpedo.


28

Figura 33 – Modelo 3D em corte: Torpedo


Figura 34 – Modelo 3D: Torpedo.


A montagem de todos os componentes constitui o conjunto da matriz de

extrusão que será conectado à máquina para a fabricação do objeto desejado.

As Figuras 35, 36, 37 e 38 mostram o resultado final da união dos elementos. O

material escolhido para a fabricação dos componentes da matriz de extrusão

está apresentado na Tabela 1.

29

Figura 35 – Identificação de cada componente do conjunto.


Tabela 1– Lista de peças, material e quantidade.


30

Figura 36 – Vista Lateral Esquerda: Montagem.


Figura 37 – Modelo 3D em corte: Montagem.


31

Figura 38 – Modelo 3D: Montagem.


A Figura 39 apresenta uma vista explodida do conjunto, facilitando a

visualização de cada componente.

Figura 39 – Vista explodida: Montagem.


32

6. CONCLUSÃO

Tendo em vista a quantidade de lixo produzida diariamente no mundo e

o conhecimento de que parte desses resíduos são compostos por plásticos, a

proposta de reutilização desses materiais na produção de um objeto amplamente

utilizado representa uma alternativa que pode ser bastante eficaz na diminuição

da poluição.

A modelagem 3D da ferramenta de extrusão permite uma excelente

visualização do projeto e planejamento do produto, além de fornecer dados muito

importantes que possibilitem o desenvolvimento de uma matriz de qualidade e

atendendo às especificações do produto. O cabo constitui um dos principais

componentes do produto em estudo e receberá grande parte dos esforços,

justificando os estudos realizados.

Através da pesquisa realizada, decidiu-se que o material mais indicado

para a fabricação das peças é o aço P20, por possuir uma boa usinabilidade,

pode ser encontrado já com a dureza de 34 HRC, bom polimento e ter a

possibilidade de ser cementado ou nitretado. Esse material é um dos mais

indicados para moldes e matrizes.

A partir dos resultados obtidos, nota-se também que o projeto e

construção de uma matriz que atenda aos requisitos dimensionais do produto e

garanta a qualidade e estabilidade do processo exige bastante tempo, estudo,

tecnologia e, principalmente, disponibilidade de recursos financeiros.

7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Seria interessante para uma possível continuação deste projeto a

realização de cálculos exatos relacionados às dimensões da matriz de acordo

33

com o produto a ser produzido já adequando também à máquina utilizada. Além

disso, sugere-se também que se consiga com a maior antecedência possível a

parceria ou o apoio de pessoas, empresas ou até mesmo outras instituições de

ensino que possam fornecer as matérias-primas, máquinas e equipamentos que

possibilitem a fabricação da ferramenta de extrusão e o seu uso na produção

dos perfis tubulares.

Por fim, considera-se plausível a realização de orçamentos e simulações

computadorizadas de forma que se possa ter mais certeza sobre o

comportamento do material em serviço, garantindo que suportará às condições

de aplicação antes que o equipamento seja construído, evitando perda de

material e, consequentemente, o custo desnecessário.

8. REFERÊNCIAS

1. CALLISTER, William; RETHWISCH, David. Ciência e Engenharia dos

Materiais: Uma introdução. Ed. LTC, 8ª Edição, 2013.

2. CANEVAROLO, Sebastião. Ciências dos polímeros. Ed. Art Liber. 2ª Edição,

2006, 280 pgs.

3. UFRGS. Linha de Extrusão. Disponível em:

<http://www.ufrgs.br/lapol/processamento/l_46.html>. Acesso em: 12 dez.

2015.

4. ABIPLAST. Processos de transformação para materiais plásticos. Disponivel

em:

<http://file.abiplast.org.br/download/links/links%202014/apresentacao_sobre

_transformacao_vf.pdf>. Acesso em: 12 dez. 2015.

http://www.ufrgs.br/lapol/processamento/l_46.html

http://file.abiplast.org.br/download/links/links%202014/apresentacao_sobre_transformacao_vf.pdf

http://file.abiplast.org.br/download/links/links%202014/apresentacao_sobre_transformacao_vf.pdf

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5. FUNDAÇÃO SANTO ANDRÉ. Processos Baseados em extrusão. Disponível

em: <http://www3.fsa.br/materiais/Processamento/extru_4.pdf>. Acesso em:

14 dez. 2015.

6. UFRGS. Orientação em tubos e mangueiras. Disponível em:

<http://www.ufrgs.br/lapol/processamento/l_53.html>. Acesso em: 15 dez.

2015.

http://www3.fsa.br/materiais/Processamento/extru_4.pdf

desenvolvimento do protÓtipo de vassouras … · o desenvolvimento e determinação do design de...

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