projeto mecânico extrusora laboratórial

8/19/2019 Projeto Mecânico Extrusora Laboratórial

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CURSO

ENGENHARIA MECÂNICA DISCIPLINA SEMESTRE

PROJETO MECÂNICO 2015/2

Nº DO PROJETO N° DOCUMENTO REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-001 IF-SAP-PM-2015/2-MD-001 0

COORDENADOR DO PROJETO

VINÍCIUS MARTINS

PROJETISTA

JANAINA MARQUES PROJETISTA

CLAUDIONEI GONÇALVESPROJETISTA PROJETISTA

FELIPE REICHERT MARCIO CUNHA

REGISTRO DE REVISÕESRev Data Descrição Elaborado Verificado Aprovado

0 23/10/2015 Memorial básico preliminar MC JM, CG, FR

MEMORIAL DESCRITIVO DE DETALHAMENTO

DE CONSTRUÇÃO E MONTAGEM DE UMA

EXTRUSORA DE PEQUENO PORTE

PARA USO EM LABORATÓRIO


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VINÍCIUS MARTINS

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1 INTRODUÇÃO 2

2 OBJETIVO 2

3 HISTÓRICO 3

4 EXTRUSÃO 4

4.1 tipos de roscas 5

5

METODOLOGIA 6

6 DESCRIÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS 6

6.1

conjunto de plastificação 6

6.2 sistema de aquecimento e sistema elétrico 8 6.3 Sistema de transmissão 9 6.4

estrutura 10

7 ESTUDO DE TORÇÃO DA ROSCA 11

8 CONSIDERAÇÕES FINAIS 12

9

REFERÊNCIAS 13

10 ANEXOS 14


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VINÍCIUS MARTINS

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1 INTRODUÇÃO

A disciplina de Projeto Mecânico tem como objetivos desenvolver projetos de

engenharia; integrar os conhecimentos e habilidades adquiridas ao longo do curso,

promovendo a interdisciplinaridade; empreender a identificação, formulação e solução de

problemas; promover o contato com a documentação técnica de um projeto; integrar oprojeto com o processo de fabricação por meio de testes e simulações computacionais e

ainda instigar o trabalho em equipe.

Tendo em vista a necessidade de melhorar a oferta de conhecimento e práticas em

uso e experimento de processamento de polímeros, foi proposto pelo professor Vinícius

Martins, na disciplina de Projetos Mecânicos, a elaboração do projeto de uma extrusora.

Os alunos que formam o grupo de projetistas são os responsáveis pela pesquisa e

desenvolvimento de tudo que se fizer necessário para a execução deste projeto. Fica acargo do professor, a orientação e coordenação do andamento das etapas e aceite final.

O presente trabalho tratará do projeto mecânico de uma extrusora dupla rosca para

utilização laboratorial. Com a finalidade de atingir os objetivos propostos pela disciplina e

posterior fabricação da extrusora para utilização nos laboratórios do IFSul Campus

Sapucaia do Sul.

2 OBJETIVO

Este memorial tem o objetivo de descrever e detalhar todas etapas e procedimentos

necessários para a fabricação ou envio para fabricação externa ao IFSul-Sapucaia do Sul,

de uma extrusora de pequeno porte para utilização em laboratório, com a finalidade de

servir como equipamento de apoio aos cursos oferecidos pelo campus.


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3 HISTÓRICO

As primeiras máquinas de processamento de polímeros foram construídas no

século XIX; entretanto, a rosca ou parafuso sem fim é um componente bem mais antigo,

inventado por Arquimedes no início do século II a.C. (figura 1), e é bastante utilizado não

somente nesse tipo de maquinário como em diversas outras aplicações. Arquimedes

desenvolveu um parafuso para bombear água das minas de prata do rio Tinto na Espanha

(STRATHERN, s/d).

Figura 1: Parafuso de Arquimedes.

De acordo com Tadmor e Gogos (2006), Thomas Hancock desenvolveu em 1820

a primeira máquina para recuperar borracha natural, constituída de um rotor denteado que

gira em um cilindro denteado (figura 2). Em 1836, Edwin Chaffee inventou um moinho de

dois rolos para misturar aditivos à borracha e a calandra de quatro rolos para

revestimentos de borracha em roupas e couro.

Figura 2: máquina para recuperar borracha natural.


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4 EXTRUSÃO

A extrusão é um processo de transformação (de polímeros, metais, cerâmicos e

alimentos) para uso e geração de matérias-primas e transformação em produtos (Lapol-

UFRGS, 2015). Os materiais poliméricos podem ser transformados por diversos

processos com o objetivo de melhorar suas propriedades e/ou para produzir bens de

consumo. A extrusão é um tipo de processo de transformação (figura 3) na qual a massa

polimérica é aquecida e forçada por um sistema de roscas, passando através de uma

matriz com o perfil desejado (MANO E MENDES, 2004). A extrusão pode ser aplicada a

termoplásticos ou termorrígidos, conforme uma formulação adequada de massa

polimérica.

Figura 3: Esquema de uma extrusora e seus componentes funcionais (Manrich, 2005).

A seguir, alguns exemplos de produtos poliméricos obtidos por extrusão: filmes,

canos e tubos para fluidos, isolantes de fios e cabos elétricos, filamentos para fabricação

de linhas de pesca, escova dental, de cabelo; embalagens para alimentos, chapas para

posterior termoformagem (Cruz, s/d).

Conforme Manrich (2005), a rosca é um componente muito importante porque

transporta, funde, homogeniza e plastifica o polímero. O movimento da rosca cisalha o

material e é responsável por 80% da energia térmica e mecânica para a transformação.

O percurso do polímero durante a extrusão é explicado por Manrich (2005, p.108)


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No início da rosca, o material proveniente do funil normalmente está à temperaturaambiente e na forma de grãos ou pó, e nesse estado possui baixa densidade aparente(entre 0,3 e 0,6 g/cm3), dependendo do formato do grão e do tipo de polímero. Comodurante o processo de extrusão o polímero amolece e elimina o ar existente entre essesgrãos que formam o pó ou pélete, a densidade aumenta em tomo de duas até quatrovezes o valor inicial. Em função disso, o material deve ser comprimido ao longo da roscapara compensar tal efeito, bem como para manter os níveis de cisalhamento adequados. A taxa de compressão deve ser igual ou superior à variação de densidade do materialem processo.

4.1 TIPOS DE ROSCAS

A rosca simples é a mais utilizada na indústria polimérica por causa do custo relativamente

baixo, do design simples, da robustez e um bom custo benefício. Ela promove principalmente a

deformação de cisalhamento. Entretanto, devido a sua estrutura de compressão, acaba por

degradar polímeros de difícil manuseio como o PVC e o PHB. Além de não oferecer condições

especiais de fusão, mistura e taxa elevada de produção, aspectos importantes para materiais

como fibra de vidro, talco e CaCo3.

A rosca dupla possui ação de mistura mais intensa que na extrusora de rosca simples,

porque na região de junção das roscas, boa parte do fluxo do fundido polimérico é dividido e

transferido de um canal da rosca para o canal da outra rosca.

É importante ressaltar que o sentido de giro das roscas pode ser corrotacional (mesmo

sentido) ou contra-rotacional (sentido oposto). O giro corrotacioal produz uma mistura mais

homogênea devido à troca de canal.


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5 METODOLOGIA

A metodologia utilizada para o desenvolvimento da extrusora laboratorial foi o

processo tradicional de produção, no qual se avalia a necessidade do produto, toma-se

por referência produtos do mercado e constrói-se um novo design para atender os

requisitos do cliente.

O modelo de referência foi a extrusora Mini CTW da Polimate (figura 4) por possuir

design simples, que inspira segurança e praticidade. Além disso, foram consideradas as

dimensões, a capacidade de produção, a facilidade de montagem, operação e

manutenção.

Figura 4: Extrusora Mini CTW Polimate.

6 DESCRIÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS

Nesta etapa serão descritos os componentes da extrusora, de forma a explicar quais materiais

serão utilizados na construção e porquê foram escolhidos.

6.1 CONJUNTO DE PLASTIFICAÇÃO

A) Roscas – A rosca de extrusão possui filetes padrões, com o mesmo ângulo em seucomprimento. Para definição das seções da rosca foram utilizadas as recomendações

descritas por Rauwendaal (2004), sendo que a seção de alimentação possuí um


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comprimento de 4 vezes o diâmetro, a seção de compressão possuí um comprimento

de 10 vezes o diâmetro, e a seção de dosagem possuí um comprimento de 6 vezes o

diâmetro, totalizando um comprimento total de 20D, que é o mínimo recomendável

para uma rosca de extrusão. O diâmetro do eixo da rosca na zona de alimentação é

de 0.35D e o diâmetro na zona de dosagem é de 0,89D.

As roscas serão produzidas com o aço estrutural para construção mecânica 8550, que é um

material pré-beneficiado (temperado, com dureza entre 258-286 HB) para nitretação, utilizado para

componentes que requeiram dureza superficial e resistência ao desgaste.Composição química:

Propriedades Mecânicas:

Tratamento Térmico:

Após a nitretação este material proporciona uma excelente resistência ao desgaste por

abrasão, que aliado com a superfície polida da rosca, proporcionará um delta de atrito ideal para

transporte do material no sistema e uma grande resistência ao desgaste da rosca.

B) Matriz – a matriz possui um canal que se inicia em forma de ângulo e após se

transforma em forma de cilindro, que dará a forma final do material extrusado. O

objetivo desta configuração é evitar mudanças bruscas no fluxo do material e manter

o fluxo do material homogêneo.

O material aplicado na construção da matriz é AISI P20, indicado especialmente para

matrizes. As principais características deste material são as seguintes:

Aço pré-beneficiado (265-330HB) desgaseificado à vácuo com boa usinabilidade, polibilidade

e texturização. Apresenta estrutura homogênea. Não sofrerá perda de dureza (faixa especificada)

após nitretação em temperaturas entre 450°-600°C.


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Composição química:

Propriedades Físicas

C) Barril de plastificação inferior e superior – os barris de plastificação são divididos em

duas partes, para que o conjunto possa ser aberto para realização da limpeza das

roscas e do interior do cilindro, a fim de evitar perdas de materiais. O barril inferior é

fixo e o superior é móvel, sendo ambos fixados por parafusos e alinhados por pinos

guias.

O material para construção dos barris de plastificação é o mesmo aço 8550 utilizado para a

construção da rosca de extrusão, que juntamente com o acabamento de brunimento no interior do

cilindro, permitirá um ótimo fluxo de material e excelente resistência ao desgaste.

6.2 SISTEMA DE AQUECIMENTO E SISTEMA ELÉTRICO

As características da parte elétrica, necessárias para o funcionamento da extrusora, deverá

sofrer avaliação de especialidade de projetos elétricos, o que não é objeto deste curso. São

apontadas apenas as as premissas de funcionamento. Assim temos que para:

D) Resistências de aquecimento: serão duas, no formato de cartucho e furação de espera

com 10mm de diâmetro e profundidade 70mm. Deverão fornecer calor suficiente para

manter o material na região de plastificação.

E) Sensores de temperatura: serão dois sensores do tipo RTD ou termopar (a critério do

projeto elétrico), que farão o monitoramento e controle da temperatura das resistências

de aquecimento. Há disponível dois furos de espera com 4mm de diâmetro e 20mm

de profundidade.


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F) Motor: deverá fornecer o torque necessário para mover o mecanismo na faixa de

rotação de aproximadamente 1000 até 2000 RPM. Para isso, deverá possuir um

sistema de controle adequado para manter uma rotação estável.

G) Acionamento elétrico: os dispositivos de acionamento, controle, proteção e demais

partes elétricas afins, deverão atender a NR10 e prover segurança operacional e

proteção ao equipamento devido sobrecarga ou trancamento mecânico das roscas.

Estes dispositivos deverão possuir informação de funcionamento e identificação visível

ao operador.

6.3 SISTEMA DE TRANSMISSÃO

O sistema de transmissão é formado por um sistema de coroa e parafuso com rosca sem fim.

Este sistema permite uma grande redução da RPM e um aumento de força, condições estas que são

necessárias em uma extrusora.

H) Rosca sem fim – possui apenas uma entrada, permitindo uma grande redução de

RPM. O material selecionado para a fabricação deste componente é o aço 8620

tratado termicamente por cementação. Este material possuí ótimas propriedadesmecânicas, como tensão de resistência a tração de 620 MPa, e o tratamento de

cementação lhe confere resistência superficial, mas não altera o seu núcleo,

permitindo que o material possua grande resistência a fratura.

I) Rolamento de apoio da rosca sem fim- rosca sem fim é apoiada no sistema através

de rolamentos de esfera de contato angular, pois esta peça sofre esforços radiais

vindos do motor e esforços axiais devido ao torque gerado na engrenagem, sendo este

rolamento ideal para este tipo de esforço. O modelo de rolamento selecionado é o

rolamento DIN 7200 B, que possuí as medidas conforme indicado abaixo:


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J) Engrenagens – possuí um módulo de 0,85 e 16 dentes, o que permite uma redução

de 16 vezes a RPM de entrada, em conjunto com a rosca sem fim de uma entrada. O

material selecionado para sua construção é o mesmo utilizado para a construção da

rosca sem fim, devido a esta peça sofrer esforços semelhantes ao da rosca.

K) Buchas – as buchas possuem a função de suportar as roscas de extrusão, sofrendo

esforços radias e axiais. O material selecionado para a fabricação das buchas é o

bronze grafitado, que é um material com média resistência mecânica, ideal para evitar

desgaste no eixo da rosca, e sua principal característica é que é auto lubrificante, ideal

para utilização como mancal rotativo.

L) Acoplamento do motor – O acoplamento do motor é dividido em duas partes, uma

montada no eixo do motor e a outra montada no eixo da rosca sem fim, sendo que as

duas partes se encaixam, com uma leve folga para compensar pequenosdesalinhamentos axiais e radiais. O material aplicado para construção do acoplamento

é o mesmo utilizado na rosca sem fim, pois este material possuí grande resistência

mecânica e ao desgaste, atendendo aos requisitos desta aplicação.

6.4 ESTRUTURA

M) Grade de proteção do conj de plastificação e proteção do eixo do motor – sua função

é proteger as partes móveis e aquecidas do equipamento. O material empregado para

sua fabricação são chapas de aço 1010, com tratamento superficial de pintura. Este

material é ideal para esta aplicação, pois a aplicação não necessita grandes


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propriedades mecânicas, possuí um baixo custo e o tratamento superficial de pintura

evita a corrosão.

N) Base dos mancais – sua função é apoiar os mancais. Será fabricada com Alumínio

6005, pois este é um material que possuí boa usinabilidade, boa resistência mecânica

e alta resistência a corrosão, aumentando a durabilidade do produto.

O) Placas de suporte (lateral, superior, inferior e traseira) – as placas de suporte terão a

função de sustentar o conjunto e principalmente o sistema de transmissão. As placas

laterais devem estar perfeitamente alinhadas em relação ao conjunto, então para istopossuirão pinos guias para alinhamento durante a fixação. O material utilizado para a

sua fabricação é o alumínio 6005, o mesmo utilizado na base dos mancais, devido a

estes componentes sofrerem solicitações semelhantes a este componente.

P) Funil – o funil possuí um diâmetro de entrada da matéria prima de 30 mm, para facilitar

o acesso do material as roscas. O material utilizado para sua fabricação é o alumínio

6005.

Q) Fixações (parafusos e pinos guias) – as fixações serão compostas por parafusos allencomerciais, de diversas formas e tamanhos, conforme solicitações descritas em

desenho, e também por pinos guias para alinhamento das partes durante a montagem.

Os pinos guias serão pinos comerciais temperados e retificados, com as dimensões

conforme solicitadas em desenho.

7 ESTUDO DE TORÇÃO DA ROSCA

O estudo de torção foi realizado com o Simulation, um suplemento do Solidworks. O objetivo

foi analisar o comportamento da rosca de extrusão ao sofrer solicitações de torção. Devido a

limitações do software, não foi utilizado o material correto do produto, que seria o aço SAE 8550,

porém foi utilizado um material com características similares. Assim como, a falta de dados referente

às forças aplicadas ao produto durante o trabalho, foi definido uma tensão de torção máxima de 50

N.m para a análise de torção. O relatório de análise encontra-se no cd com os demais anexos.

Foram feitas simulações de torção em todo o eixo principal da peça (figura 5), que está

subdividida em rosca, eixo de mancal, e conexão com o sistema de tração, porém devido a aplicação


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dos componentes de fixação na parte do eixo referente a conexão com o sistema de tração, está

região não pode ser considerada no estudo.

Após análise verificou-se que a rosca oferece propriedades adequadas em relação a torção,

resistindo aos esforços solicitados. O ensaio demonstrou que a região da rosca resiste muito

satisfatoriamente aos esforços de torção; porém a região mais propensa a sofrer deformações é a

região do eixo de mancal. Contudo, os valores obtidos pelo estudo demonstraram que os esforços

estão abaixo dos limites de resistência dos materiais, sendo assim adequada a sua utilização.

Figura 5: simulação de solicitações de torção na rosca.

8 CONSIDERAÇÕES FINAIS


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9 REFERÊNCIAS

Cruz, S. A. Extrusão de termoplásticos. Disponível em:http://www3.fsa.br/materiais/Processamento/extru_1.pdf

Tadmor, Z. Gogos (2006), C. G. Principles of Polymer Processing. John Wiley and Sons, 2006.Disponível em http://www3.fi.mdp.edu.ar/procesamiento1/material/Tadmor-Gogos.pdf

Lapol –UFRGS. Introdução a polímeros: revisão. Disponível em:

http://www.ufrgs.br/lapol/processamento/l_47.html

Mano, E. B. Mendes, L. C. Introdução a polímeros. 2ed. ver. e ampl. São Paulo: Edgard Blücher,2004.

Manrich, S. Processamento de termoplásticos: rosca única; extrusão e matrizes; injeção emoldes. São Paulo: Artliber Editora, 2005.

Strathern, P. Arquimedes e a alavanca em 90 minutos. Tradução de Maria Helena Geordane. LeLivros: sem data. Disponível em http://lelivros.blue/book/baixar-livro-arquimedes-e-a-alavanca-em-90-minutos-paul-strathern-em-pdf-mobi-e-epub/

http://www3.fsa.br/materiais/Processamento/extru_1.pdfhttp://www3.fsa.br/materiais/Processamento/extru_1.pdfhttp://www3.fi.mdp.edu.ar/procesamiento1/material/Tadmor-Gogos.pdfhttp://www3.fi.mdp.edu.ar/procesamiento1/material/Tadmor-Gogos.pdfhttp://www.ufrgs.br/lapol/processamento/l_47.htmlhttp://www.ufrgs.br/lapol/processamento/l_47.htmlhttp://lelivros.blue/book/baixar-livro-arquimedes-e-a-alavanca-em-90-minutos-paul-strathern-em-pdf-mobi-e-epub/http://lelivros.blue/book/baixar-livro-arquimedes-e-a-alavanca-em-90-minutos-paul-strathern-em-pdf-mobi-e-epub/http://lelivros.blue/book/baixar-livro-arquimedes-e-a-alavanca-em-90-minutos-paul-strathern-em-pdf-mobi-e-epub/http://lelivros.blue/book/baixar-livro-arquimedes-e-a-alavanca-em-90-minutos-paul-strathern-em-pdf-mobi-e-epub/http://lelivros.blue/book/baixar-livro-arquimedes-e-a-alavanca-em-90-minutos-paul-strathern-em-pdf-mobi-e-epub/http://lelivros.blue/book/baixar-livro-arquimedes-e-a-alavanca-em-90-minutos-paul-strathern-em-pdf-mobi-e-epub/http://www.ufrgs.br/lapol/processamento/l_47.htmlhttp://www3.fi.mdp.edu.ar/procesamiento1/material/Tadmor-Gogos.pdfhttp://www3.fsa.br/materiais/Processamento/extru_1.pdf


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