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Formação Avançada em Metrologia 3D

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Dilatação Térmica

Material didático informativo sobre Metrologia 3D

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A metrologia dimensional lida com um desafio permanente de quantificar as dimensões da peças sob a influência da temperatura da peça, do ambiente e do sistema de medição.

A confiabilidade com que os resultados são obtidos depende em muito das condições de temperatura em que a medição ocorre. Em certas condições a temperatura pode causar erros de medição consideráveis e comprometer totalmente as análises de conformidade em produtos e processos.

Este material informativo faz uma rápida abordagem deste desafio e de sua importância para a obtenção de resultados confiáveis.

Os temas aqui apresentados são objetos de estudo dos cursos do Programa FORMA3D.

Apresentação

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Uma característica comum aos materiais em geral é a sua instabilidade dimensional em função da temperatura. Materiais sólidos variam seu volume de modo praticamente proporcional à temperatura e não alteram sua forma se a temperatura é homogênea ao longo de todo o seu corpo.

Dilatação dos Materiais: Uma lei da natureza

20º C 25º C 30º C 25º C 20º C

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Existe, assim, a necessidade de estabelecer uma temperatura de referência na qual as dimensões possam ser especificadas no projeto e controladas na medição. As dimensões precisam estar “amarradas” a uma temperatura única, normalizada e aceita internacionalmente.

Caso contrário temos um jogo sem regras...

Necessidade de Referência

Vamos esquentar a peça para deixá-la dentro das medidas de desenho...

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Esta temperatura está definida na norma ISO-1, que estabelece:

Temperatura de Referência

A temperatura de referência padronizada para a especificação e verificação geométrica de produtos está definida em 20º C.

www.iso.org

Especificação geométrica

Verificação geométrica

20º C 20º C

“A Regra do Jogo”

www.forma3d.com.brCondição necessária para qualidade dimensional

Condição térmica estável (20º C)

Especificação Geométrica (GD&T)

Sala de Medidas

Produção

Condição térmica instável

www.forma3d.com.brSituações de risco metrológico

Em diversas condições combinadas de temperatura e materiais de peça e sistema de medição ocorrerão erros de medição.

Exemplos:

Peça e/ou sistema de medição com temperatura não homogênea

Peça com temperatura diferente do sistema de medição

20o C

24o C

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Exemplos:

Peça e sistema de medição de diferentes materiais e a uma mesma temperatura, mas fora de 20º

Temperatura instável durante a medição

Situações de risco metrológico

23º CEscalas de vidro

23º C Aço

T (º C)

Tempo

www.forma3d.com.brO erro é crítico?Depende de muitos fatores, dentre os principais a tolerância do produto, suas dimensões e o seu material, bem como o material e a temperatura do sistema de medição. É possível, através de análises simples, estimar a magnitude do erro de medição por causa da temperatura e avaliar a sua criticidade.

Exemplo: Para cada 1º C de aumento na temperatura da peça de alumínio medida nas condições abaixo, a tolerância de posição especificada é consumida em cerca de 16%

600

300

BC

A

0,2 A B C

20±0,1

Máquina a 20º C com escalas de vidro

www.forma3d.com.brAlgumas situações são mais desafiadoras

Medições em campo empregando sistemas de medição portáteisMedições de peças com tolerâncias estreitasMedição de peças com materiais que dilatam bastante Medição de peças com grandes dimensões

Exemplo: Medição de peças de alumínio empregadas na indústria aero-espacial

www.forma3d.com.brÉ possível compensar este erro?Assumindo que a variação volumétrica com a temperatura ocorre sem que haja mudança da forma geométrica da peça, é possível estimar a dilatação linear ocorrida nos elementos geométricos que compõem a peça. Conhecendo o erro é possível compensá-lo.

Máquina a 20o C

Açoa 24o C

Diâmetro indicado: 120,452 mm

120,452 (24º C)

120,447 (20º C)

Erro = +0,005 mm

Resultado corrigido

www.forma3d.com.brA compensação é confiável?

Sim, desde que:

• Os coeficientes de expansão dos materiais sejam conhecidos com boa exatidão• Os sensores empregados na medição de temperatura possuam boa exatidão• A temperatura seja estável durante a medição• A temperatura esteja homogênea nos materiais• Os materiais sejam isotrópicos (possuam propriedades físicas idênticas em

todas as direções)

No entanto...

Em situações normais, é sempre mais recomendado garantir a exatidão da medição assegurando que peça e sistema de medição estejam próximos 20º C do que tentar garantir a exatidão da medição com uma compensação matemática sobre o resultado.

www.forma3d.com.brLembre-se da regra do jogo: 20º C

É muito importante se ter claro que a temperatura de 20º C é um requisito técnico normalizado (ISO1) e um aspecto importantíssimo para assegurar confiabilidade nos resultados das medições.

Em várias salas de medidas de empresas isto não parece estar claro e, por vezes, gestores menos envolvidos com as atividades de medição acreditam que o “frio” da metrologia é ajustado por razões de conforto térmico dos metrologistas.

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Há muito mais a saber...Que problema a oscilação térmica causa nas máquinas de medir?

Como estimar o erro de medição provocado pela temperatura?

Que cuidados se deve ter na arquitetura de uma sala de medidas?

Qual o tempo de climatização necessário para as peças?

Como avaliar a eficiência do sistema de climatização?

Como acelerar a estabilização térmica de peças?

Qual a máxima temperatura em que é possível medir?

Quais os fatores perturbadores em um ambiente de medição?

Como funciona a compensação automática em certas máquinas de medir?

...

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Estas e outras respostas você encontra em nossos cursos.

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