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 106 8. PROJETO E SIMULAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO Todo e qualquer processo industrial de fabricação, principalmente os processo de conformação mecânica – inclusive aqueles não tão usuais (ex.: estampagem eletromagnética, hidroconformação, etc.), deve ser cuidadosamente planejado, visando prever todas as variáveis que governam o estado de deformação imposto ao material, além das condições (panoramas/layouts) de fabricação possíveis para um dado produto. Logicamente, que este planejamento vai depender de inúmeros fatores dentro os quais se destacam: i) O conhecimento acerca dos materiais e do ferramental utilizado:  principalmente com relação ao controle periódico (inspeção) de suas características mecânicas e de funcionamento; ii) O conhecimento sobre os fenômenos físicos envolvidos durante a deformação:  a partir do embasamento técnico-científico com relação aos processos e materiais; iii) O conhecimento da peça a ser fabricada:  sendo de grande importância conhecer sua função (funcionalidade), qualidade e acabamento requeridos, propriedades mecânicas exigidas, etc. iv) A relação custo versus benefício que se pretende obter: onde deve-se, pelo menos, obter uma estimativa da relação entre o custo e o volume de produção, que por sua vez deve, logicamente, propiciar a máxima lucratividade à empresa. A partir dessas premissas se torna evidente que, para o projeto de um processo de conformação mecânica, deve-se almejar qualidade de produto alicerçada com uma relação custo versus benefício favorável . Em contrapartida deve-se evitar ao máximo: o desperdício de material – tanto com relação à matéria-prima quanto aos dispositivos ou maquinários utilizados, o consumo excessivo de energia e mão de obra – considerando a força exigida ao maquinário e o número de pessoas (mão-de-obra) utilizadas na fabricação, o tempo gasto durante o projeto e fabricação dos dispositivos (ex.: matrizes, etc.), entre outros fatores. Nesse sentido, e visando reduzir a possibilidade de defeitos durante o processo, bem como, otimizar seus parâmetros torna-se fundamental – ainda na etapa de projeto, prever de alguma maneira o comportamento dos materiais (peça e ferramental) e as condições dos processos de fabricação utilizados.  Para isso são utilizadas técnicas de simulação, que tentam retratar as mesmas condições de processamento para determinado produto.

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8. PROJETO E SIMULAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO

Todo e qualquer processo industrial de fabricação, principalmente os processo de

conformação mecânica – inclusive aqueles não tão usuais (ex.: estampagem eletromagnética,

hidroconformação, etc.), deve ser cuidadosamente planejado, visando prever todas as variáveis

que governam o estado de deformação imposto ao material, além das condições

(panoramas/layouts) de fabricação possíveis para um dado produto.

Logicamente, que este planejamento vai depender de inúmeros fatores dentro os

quais se destacam:

i) O conhecimento acerca dos materiais e do ferramental utilizado: 

principalmente com relação ao controle periódico (inspeção) de suas características

mecânicas e de funcionamento;

ii) O conhecimento sobre os fenômenos físicos envolvidos durante a deformação: 

a partir do embasamento técnico-científico com relação aos processos e materiais;

iii) O conhecimento da peça a ser fabricada:  sendo de grande importância

conhecer sua função (funcionalidade), qualidade e acabamento requeridos,

propriedades mecânicas exigidas, etc.

iv) A relação custo versus  benefício que se pretende obter:  onde deve-se, pelo

menos, obter uma estimativa da relação entre o custo e o volume de produção, que

por sua vez deve, logicamente, propiciar a máxima lucratividade à empresa.

A partir dessas premissas se torna evidente que, para o projeto de um processo de

conformação mecânica, deve-se almejar qualidade de produto alicerçada com uma relação

custo versus benefício favorável. Em contrapartida deve-se evitar ao máximo: o desperdício de

material – tanto com relação à matéria-prima quanto aos dispositivos ou maquinários utilizados,

o consumo excessivo de energia e mão de obra – considerando a força exigida ao maquinário e onúmero de pessoas (mão-de-obra) utilizadas na fabricação, o tempo gasto durante o projeto e

fabricação dos dispositivos (ex.: matrizes, etc.), entre outros fatores.

Nesse sentido, e visando reduzir a possibilidade de defeitos durante o processo, bem

como, otimizar seus parâmetros torna-se fundamental – ainda na etapa de projeto, prever de

alguma maneira o comportamento dos materiais (peça e ferramental) e as  condições dos

processos de fabricação utilizados. Para isso são utilizadas técnicas de simulação, que tentam

retratar as mesmas condições de processamento para determinado produto.

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  Assim, as metodologias mais utilizadas em simulação de conformação, e que

auxiliam no desenvolvimento de novos produtos e processos, são os experimentos reais

(simulações físicas ou prototipagem) e as simulações numérico-computacionais.

8.1 SIMULAÇÕES FÍSICAS OU PROTOTIPAGEM

As simulações físicas ou prototipagem  são aquelas simulações onde utilizam-se

“modelos” mais dúcteis (ex.: plasticina, cera, gesso calcinado, etc., e que apresentam elevada

ductilidade e formabilidade) em substituição à matéria-prima que será conformada. Além disso,

podem ser utilizados modelos das matrizes fabricados através de resina, silicone, gesso

calcinado, alumínio, etc., que são materiais mais acessíveis economicamente do que aqueles aços

ligados, e desenvolvidos especificamente para a confecção de matrizes.

Vale ressaltar que esta metodologia de simulação é muito empregada nos processos

de forjamento, extrusão, embutimento, etc., e que os materiais utilizados (dispositivos e matéria-

prima) podem ter as  dimensões reais do processo de fabricação da peça ou dimensões em

escala reduzida, visando economia de material e tempo de fabricação. Para isso, é necessário

reduzir na mesma proporção todas as grandezas (força, energia, calor, etc.) envolvidas no

processo. Porém, muitas destas grandezas não seguem uma linearidade que permita uma

conversão adequada, logo, deve-se garantir a possibilidade de execução deste processo não

apenas em nível de usinagem e fabricação, mas sim sob o ponto de vista da conversão das

grandezas físicas envolvidas.

Na Fig. 8.1 são apresentados alguns moldes e peças protótipos confeccionados para

simulações físicas ou prototipagem.

Fig. 8.1 – Moldes em resina e protótipos em cera, plasticina, cerâmica e metálicos.

É importante destacar que a prototipagem, em geral, não permite verificar e/ou

prever parâmetros relativos à temperatura, força ou energia do processo,  bem como, 

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microestrutura e/ou qualquer propriedade do material. Sendo possível apenas avaliar o fluxo

do material durante o processo, o surgimento de defeitos superficiais, a formação de rebarba e/ou

o preenchimento da cavidade da matriz – considerando, como exemplo, um processo de

forjamento. Assim, e visando obter previamente tais parâmetros do processo – além de outras

vantagens, são utilizadas as simulações numérico-computacionais.

8.2 SIMULAÇÕES NUMÉRICO-COMPUTACIONAIS

As simulações numérico-computacionais utilizam softwares dotados de algoritmos

específicos para prever analiticamente as condições dos processos de deformação. Existem,

conforme referências especializadas, modelos matemáticos que descrevem o processo de

deformação e o desenvolvimento microestrutural para um determinado material conformado. Isto

possibilita o controle da microestrutura formada, seu tamanho de grão, orientação, etc., além de

viabilizar a otimização dos parâmetros do processo conforme a microestrutura desejada.

Os softwares de simulação são grandes ferramentas para auxiliar no desenvolvimento

dos produtos, sendo muito aplicados na seleção de maquinário (a partir da força necessária),

previsão de dobras ou outros defeitos, análise do fluxo de material, previsão das tensões atuantes,

definição das etapas e possíveis pré-formas ao processo, redução no tempo de processo, etc.

Na Fig. 8.2 é apresentada a simulação de um processo de forjamento a frio, onde se

verificam diferenças entre os resultados de simulações efetuadas por diferentes tipos de análise

(simulações 2D e 3D) em etapas distintas do processo.

a) b)

Fig. 8.2 – Simulação do forjamento a frio da cabeça de um parafuso. a) Sequência do processo

de forjamento. b) Análise gráfica da força do processo conforme o tipo de simulação.

Em geral, os problemas de engenharia não possuem soluções analíticas simples,

apresentando um nível de complexidade considerável para descrever o fenômeno físico e as

variações das grandezas envolvidas (ex.: escoamento do material, plasticidade, atrito, gradiente

térmico, etc.). Por isso, são utilizadas as simulações computacionais, que realizam combinações

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gráficas através de métodos numéricos, que tentam retratar as condições reais. Outra grande

vantagem no uso deste método é a capacidade de se repetir (simular) diversas vezes o

processo, alterando apenas alguns parâmetros de interesse.

Vale ressaltar que a fim de simplificar os modelos e métodos de cálculo, muitas

vezes se faz necessário assumir algumas hipóteses simplificadoras  (já citadas em outros

capítulos) que envolvem o material, as ferramentas e as variáveis atuantes no processo, e que na

maioria dos casos pode comprometer a exatidão dos resultados.

Os softwares de simulação, em geral, baseiam-se em dois métodos numéricos de

análise, escolhidos conforme a capacidade de processamento e as características de cada

processo, são eles: o Método dos Volumes Finitos (MVF) e o Método dos Elementos Finitos

(MEF).

O MVF  visa obter uma versão discreta de uma equação diferencial parcial que

representa o sistema a ser analisado. O desenvolvimento dessa metodologia se concentra no

fluxo de uma determinada grandeza (ex.: massa e energia) que atravessa regiões (ou volumes

adjacentes) de controle, obtendo a quantidade desta grandeza por unidade de tempo. Logo, esta

técnica permite desenvolver as relações de conservação de massa e energia, resultando em

interpretações físicas diretas, além de viabilizar sua aplicação em malhas com espaçamentos não-

uniformes. Por isso, o MVF é utilizado em escoamento de fluidos e simulações termo-

mecânicas, que envolvem gradiente de temperatura através de volumes discretos. Este tipo de

análise é mais rápido do que aquela realizada por MEF, exigindo menor capacidade de

processamento para a mesma situação.

Por sua vez, o MEF – muito utilizado em análises estruturais, apresenta significativa

aplicação em análises bidimensionais ou tridimensionais envolvendo transferência de calor, taxa

de deformação, propriedades dos materiais, atrito, etc. Este método permite resolver problemas

da teoria da elasticidade (pequenas deformações) e, considerando softwares mais modernos,

também da teoria da plasticidade (grandes deformações), baseado na divisão de um meiocontínuo em um número finito de pequenas regiões. Estas divisões são chamadas de elementos

finitos, já que tornam um elemento contínuo em discreto, e formam uma rede – que cuja malha 

pode ser aumentada ou diminuída dependendo do tamanho do elemento escolhido para

representá-la. Os pontos de interseção da rede são chamados de nós, e buscam-se, neste método,

as funções que satisfaçam o domínio de cada elemento.

Devido à mudança de forma envolvida durante a simulação dos processos de

conformação há grande distorção na malha através do MEF, sendo essa modificada por outra, no

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que vem a ser o processo de remalhamento, conforme ilustrado na Fig. 8.3. Esse processo

permite a continuidade da simulação, facilitando o processamento e a obtenção dos resultados.

Fig. 8.3 – Processo de remalhamento utilizado no MEF.

Mas vale ressaltar o quão importante é a utilização de parâmetros condizentes aoprocesso real junto aos softwares de simulação, já que o resultado (ou resposta) de uma

determinada simulação convergirá com o processo real se seus dados de entrada tiverem

sido corretamente definidos. Por isso, se torna fundamental planejar e conhecer o processo de

conformação que se deseja dimensionar. Esta afirmação é representada pela figura 8.4, que

mostra a variação dos valores de tensão efetiva devido a simples modificação dos raios utilizados

na confecção das matrizes.

Fig. 8.4 – Simulação de um processo real de forjamento a quente com variação do raio da matriz.

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