Validação Experimental de Simulador de Polimento em Rocha ... ?· Validação Experimental de Simulador…

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  • Validao Experimental de Simulador de Polimento em

    Rocha Ornamental

    Ana Raquel Jorge Barbosa

    Dissertao para obteno do Grau de Mestre em

    Engenharia de Materiais

    Orientadores:

    Professor Jos Carlos Garcia Pereira (IST, Portugal)

    Engenheiro Adriano Manuel S Coelho (Frontwave, Portugal)

    Jri

    Presidente: Professor Joo Carlos Moura Bordado

    Orientador: Professor Jos Carlos Garcia Pereira

    Vogal: Professor Lus Manuel Guerra da Silva Rosa

    Novembro de 2014

  • 2

    Agradecimentos

    Ao Professor Jos Carlos Pereira pela sua orientao e motivao relativamente a este

    projeto. Pelas explicaes sobre o simulador, por acompanhar todas as etapas de

    desenvolvimento e pela melhoria contnua do simulador na tentativa de chegar aos parmetros

    reais de polimento e atingir assim os resultados pretendidos.

    Ao Engenheiro Adriano Coelho pela orientao e pacincia durante todo o processo.

    Pelo tempo despendido neste projeto e pelo conhecimento transmitido sobre as ferramentas e

    processo de polimento.

    Ao Engenheiro Pedro Amaral, pelos esclarecimentos e conhecimento transmitido sobre

    todo o processo que envolve o polimento e pela sua motivao e disponibilizao dos

    equipamentos para a realizao do projeto.

    equipa da FrontWave, em geral, que me recebeu na empresa da melhor forma

    possvel, integrando-me no espao e no ambiente de trabalho.

    Direo de Servios Informticos e, em particular, ao Gonalo Cruz, por

    providenciarem uma mquina virtual para realizar algumas das simulaes que requeriam muita

    memria RAM.

    minha famlia que se esforou para permitir que eu conseguisse terminar o curso,

    disponibilizando todos os meios e apoiando-me sempre em todos os momentos.

    A todos os amigos por me terem apoiado nos momentos de fracasso e festejado nos

    momentos de vitria. E por me terem ouvido falar incansavelmente sobre os desenvolvimentos

    e retrocessos deste trabalho.

  • 3

    Resumo

    A rea de processamento de rocha ornamental encontra-se em crescente

    desenvolvimento devido ao esforo realizado em estruturao, produo e design do produto,

    aumentando a sua cota de mercado ao longo dos anos, apesar da crise sentida no sector entre

    2009 e 2010. O objetivo deste trabalho validar um simulador de polimento desenvolvido pelo

    Instituto Superior Tcnico para ajudar a desenvolver um sistema automtico de polimento de

    rocha ornamental em CNCs e robots, como no projeto LeanMachine. A validao incluiu trs

    estudos laboratoriais determinantes: ensaios estticos (apenas com velocidade de rotao), de

    trajetria (com enfse no percurso seguido ao longo do polimento) e contnuos (velocidades de

    rotao e translao combinadas para um polimento total). O processo iniciou-se com o

    polimento de chapas calcrias (moleanos e ataja azul), utilizando abrasivos de Frankfurt (gros

    320, 400 e 5 Extra), seguido pela medio do brilho e da rugosidade da superfcie e respetiva

    comparao com os valores de abraso gerados pelo simulador. Os resultados obtidos

    permitiram obter uma correlao sistemtica entre os valores experimentais de brilho e os valores

    simulados de abraso. Por outro lado, os resultados de rugosidade foram pouco relevantes

    porque a resoluo do rugosmetro disponvel revelou-se insuficiente. A validao do simulador

    foi concretizada definindo-se uma gama de trs cores para os valores de abraso representativas

    dos valores de brilho: brilhos reduzidos correspondem a abrases igualmente menores definidas

    na gama azul; brilhos mdios correspondentes valores de abraso na gama verde; brilhos

    elevados correspondentes ao intervalo de abraso na gama do vermelho. Os estudos permitiram

    igualmente compreender e controlar melhor os parmetros do processo de polimento,

    nomeadamente o tempo de polimento e a rea de contato da ferramenta com a pedra de ensaio.

    Palavras-Chave: Polimento, Modelao, Brilho, Rugosidade, Pedra Ornamental, LeanMachine

  • 4

    Abstract

    The development of ornamental stone technology has increased its market share on

    industry, being used due to its structural, characteristics, production and design, and thus

    increasing its market share despite the crisis between 2009 and 2010. The objective of this study

    is to validate a polishing simulator developed at Instituto Superior Tcnico. This validation aims

    to develop an automatic polishing system for ornamental stone in CNCs and robot machines, as

    in the LeanMachine project. Three important laboratorial experiments were performed: static tests

    (only with rotational velocity), trajectory tests (testing the polishing route) and continuous tests

    (with combination of rotational and translational velocities to ensure a total polishing). The process

    has been initialised with the sequential polishing of limestone slabs using Frankfurt abrasives

    (320, 400 and 5 Extra grits). Next, the surface quality of the slabs was analysed by measuring the

    surface glossiness and roughness and comparing these values with the abrasion data provided

    by the simulator. The results obtained confirmed that indeed a correlation exists between

    experimental glossiness and simulated abrasion. However, the acquired roughness data proved

    useless for comparison purposes because the resolution of the measuring equipment was

    insufficient to detect subtle differences in the stone surface. The correlation obtained could be

    divided into three ranges: 1) low glossiness corresponding to abrasion values defined into the

    blue range; 2) medium glossiness corresponding to abrasion values into green range; 3) high

    glossiness corresponding to abrasion values into red range. The three colours range defined on

    simulator was optimized and they are representative of the glossiness values. This result validate

    the simulator PAM. These studies also lead to understand and control better the polishing process

    parameters, namely the polishing time and contact area between tool and polishing surface.

    Key-works: Polishing, Modelling, Glossiness, Roughness, Ornamental Stone, LeanMachine

  • 5

    NDICE Agradecimentos ............................................................................................................. 2

    Resumo ............................................................................................................................ 3

    Abstract ........................................................................................................................... 4

    Lista de Tabelas .............................................................................................................. 7

    Lista de Figuras .............................................................................................................. 8

    Lista de Abreviaturas ...................................................................................................... 11

    Lista de Smbolos ......................................................................................................... 11

    PARTE I: INTRODUO ..................................................................................................... 12

    1. Objetivos ................................................................................................................... 13

    2. Introduo Terica ................................................................................................... 15

    2.1. Desenvolvimento econmico ............................................................................... 16

    2.2. Desenvolvimento tecnolgico .............................................................................. 18

    2.3. Processos de polimento....................................................................................... 19

    2.3.3. Mtodos para controlo de qualidade ............................................................. 21

    2.4. Simulador de polimento ....................................................................................... 24

    2.4.1. Modelao ..................................................................................................... 25

    2.4.2. Parametrizao ............................................................................................. 27

    2.4.3. Resultados gerados (outputs) ....................................................................... 28

    2.4.3. Limitaes ..................................................................................................... 28

    3. Procedimento Experimental .................................................................................... 29

    3.1. Metodologia ......................................................................................................... 29

    3.2 Parmetros experimentais .................................................................................... 31

    3.2.1 Velocidade de tapete, VL ................................................................................ 31

    3.2.2 Velocidade de travesso, VT .......................................................................... 31

    3.2.3 Velocidade de rotao, W .............................................................................. 31

    3.2.4 Presso aplicada, P ....................................................................................... 32

    3.2.5 Caudal, Q ....................................................................................................... 32

    3.3. Material de ensaio ................................................................................................ 32

    3.4. Ferramentas ......................................................................................................... 33

    3.5. Qualidade do polimento ....................................................................................... 34

    3.6 Parmetros de simulao ..................................................................................... 35

  • 6

    PARTE II: RESULTADOS PARAMETERIZAO DO PROCESSO DE POLIMENTO .................... 37

    1. Recolha de Dados ................................................................................................... 38

    1.1. Resultados experimentais ................................................................................... 38

    2. Caudal de gua ........................................................................................................ 40

    2.1. Resultados experimentais ................................................................................... 40

    3. Presso Aplicada ...................................................................................................... 42

    3.1. Resultados experimentais ................................................................................... 42

    4. Deslocao da Ferramenta ........................................................................................ 45

    4.1. Resultados experimentais ................................................................................... 46

    4.2. Resultados de simulao ..................................................................................... 47

    PARTE III: RESULTADOS VALIDAO DO SIMULADOR DE POLIMENTO .............................. 50

    1. Polimento Esttico ................................................................................................ 51

    1.1. Resultados - Efeito da velocidade linear ............................................................. 53

    1.2. Resultados Otimizao da gama de cores ....................................................... 54

    1.3. Resultados Influncia da geometria da ferramenta .......................................... 55

    1.4. Resultados Influncia do tempo de polimento .................................................. 56

    2. Trajetria de Polimento ............................................................................................ 58

    2.1. Resultados experimentais ................................................................................... 58

    2.3. Resultados de simulao ..................................................................................... 59

    3. Polimento Contnuo ................................................................................................. 63

    3.1. Resultados ........................................................................................................... 63

    PARTE IV: CONCLUSO .................................................................................................... 67

    1. Concluses ............................................................................................................... 68

    2. Trabalho Futuro ........................................................................................................ 69

    3. Referncias ............................................................................................................... 70

  • 7

    Lista de Tabelas

    Tabela 1: Principais Exportadores e Importadores Mundiais do Setor de Rochas Ornamentais em

    2011 (valores em 1000 toneladas) [3]. ........................................................................................ 16

    Tabela 2: Comercio Internacional de Rochas Ornamentais (Portugal. 2008 a 2011) [6] (a) Mdia

    aritmtica das taxas de crescimento anuais no perodo 2008-2012; (b) Taxa de variao

    homloga 2012-2013 .................................................................................................................. 17

    Tabela 3: Parmetros operacionais ............................................................................................ 38

    Tabela 4: Resultados mdios de brilho relativos aos ensaios realizados para diferentes valores

    de presso (1 bar, 2 bar, 3 bar e 4 bar) ...................................................................................... 44

    Tabela 5: Estudo relao entre as velocidades translacionais dada a condio 1. O valor de l

    dado pela equao (13). ............................................................................................................. 46

    Tabela 6: Variao das velocidades VT e W em funo do deslocao da ferramenta, ......... 46

    Tabela 7: Parmetros operacionais para os ensaios simulados no PAM, relativos a = 8. ... 48

    Tabela 8: Parmetro operacional varivel nos ensaios de variao do ngulo de trajetria. .... 58

    Tabela 9: Parmetros operacionais variveis nos ensaios de variao da abertura do ngulo de

    trajetria. ...................................................................................................................................... 59

    Tabela 10: Comparao dos resultados de abraso e brilho ..................................................... 63

    Tabela 11: Relao dos intervalos de brilho com os intervalos de abraso ............................... 66

  • 8

    Lista de Figuras

    Figura 1: Perfil histrico das exportaes de rocha ornamental como produto acabado, entre

    1994 e 2014 [4]............................................................................................................................ 17

    Figura 2: Posio e Quota de Portugal nas Exportaes Mundiais de Rochas Ornamentais. [6].

    ........................................................................................................................................

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