Desenvolvimento de um sistema de extrusão de pastas de

Desenvolvimento de um sistema de extrusão de pastas de gesso para fabrico aditivo

Pedro Manuel Vilaça da Silva

Dissertação de Mestrado

Orientador na FEUP: Prof. Dr. Rui Jorge de Lemos Neto

Orientador no INEGI: Eng. João Paulo Geraldes Touro Pereira

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

março de 2017

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Aos meus pais, Manuel e Arminda,

às minhas irmãs Dete e Carolina,

à Catarina.

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v

Resumo

O crescente número de especificações no desenvolvimento de determinados produtos tem vindo

a resultar na necessidade de produção de séries cada vez mais curtas, o que se traduz num

aumento considerável da quantidade de modelos e moldes a desenvolver, principalmente nas

indústrias cerâmicas e de fundição. Deste modo, torna-se imperativo a criação de um processo

de fabrico que possa ser mais flexível, rápido e menos dispendioso.

Dada a vontade de resolver o problema descrito anteriormente, foi estabelecida uma parceria

entre o INEGI, a FERESPE e a CEI by Zipor para a criação do projeto inovador ADIMAQ

(Fabrico ADItivo por extrusão e MAQuinagem), onde esta dissertação fica inserida. O objetivo

deste projeto consiste na criação de um equipamento híbrido que combine as tecnologias de

Fabrico Aditivo (FA) por extrusão e de Fabrico Subtrativo (FS) por maquinagem de 5-eixos.

Apesar de no projeto constar a deposição de outros materiais (areias e resinas

termoendurecíveis), o trabalho aqui apresentado tem como principal objetivo o

desenvolvimento de um sistema de extrusão de pastas de gesso. Convém salientar que os

produtos só se encontram concluídos após o processo de FS o que não é o foco desta tese. A

“impressão” obtida através do módulo FA garante apenas uma pré-forma do objeto.

As indústrias que mais despertam interesse e onde se poderá vir a aplicar esta solução

tecnológica alternativa são as indústrias de fundição e cerâmica. A fundição logo à partida pelas

diminuições significativas de custos com a possibilidade da utilização de moldes em gesso para

calcação de areia em produção de pequenas séries ou mesmo de peças unitárias. E na indústria

cerâmica para a criação de moldes de vazamento de barbotinas (processo Slip Casting) ou

injeção de pastas cerâmicas para processamento de componentes sanitários.

No início deste trabalho é feito um estudo bibliográfico sobre o gesso e suas propriedades, sobre

as tecnologias de fabrico aditivo existentes e um estudo de mercado sobre tecnologias de

mistura e bombagem de materiais viscosos.

Posteriormente é contextualizado o projeto e explicados os motivos que levam a apostar no

desenvolvimento de um dispositivo de extrusão de gesso como dispositivo alternativo à

produção de meios de produção e apresentados os ensaios realizados ao longo do trabalho.

Por último, são propostas duas soluções para o desenvolvimento de um sistema de extrusão de

pastas de gesso para fabrico aditivo e algumas simulações efetuadas com os sistemas.

As duas soluções sugeridas neste trabalho têm por base o princípio de funcionamento do

equipamento adquirido pelo INEGI, por ser um tipo de equipamento com boa capacidade de

reposta nas aplicações em que tem vindo a ser usado nas últimas décadas.

Palavras-Chave:

Fabrico Aditivo

Impressão 3D

Tecnologia Híbrida

Deposição de material

Gesso

Pequenas Séries

Flexibilidade de Produção

Grandes Componentes

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vii

Development of an extrusion system for plaster pastes for additive manufacturing

Abstract

The increasing number of specifications in the development of certain products results in the

need of smaller production series, which translates into a considerable rise of the amount of

models and molds developed, mainly in ceramics and foundry industries. Thus, the creation of

a flexible, faster and less expensive fabrication process becomes imperative. As a mean to solve

the problem above, a partnership between INEGI, FERESPE and CEI by Zipor was made,

resulting in the rise of an innovator project (ADIMAQ), where this dissertation is included.

The main goal consists in developing a hybrid equipment able to combine the Additive

Manufacturing by extrusion technologies with Subtractive manufacturing by machining of 5

axes.

Although the project includes deposition by sands and thermosetting resins, the work presented

here focus on the development of an extrusion system of plaster pastes.

Notice that the products are only concluded after the SM project which is not the focus of this

dissertation. Moreover, the printing obtained by the AM module only assure a preform of an

object.

As said before, the industries where this alternative solution could be useful and applied are the

foundry and ceramics industries. For the first, due to the significant cost reduction allowing the

use of plaster patterns for sand pressing in the production of small series or unique parts. For

the latter allows the creation of slip casting injection molds or injection of ceramic pastes for

the processing of sanitary ceramics.

In the beginning, it will be presented a bibliographic study taking into account the plaster and

its properties as well as the existing additive manufacturing technologies. Additionally, a

market study about mixing and pumping technologies for viscous materials is included. Then,

there is a project contextualization where the reasons that led to the development of an

alternative dispositive of plaster extrusion are explained followed by a presentation of the tests

performed. Finally, two solutions are proposed for the development of the referred system and

some simulations were carried out with the systems.

Both solutions proposed in this work are based on the operation principle of the acquired

equipment by INEGI since it is an equipament with great response capacity to the applications

in which it has been used in the past decades.

Keywords:

Additive Manufacturing

3D Printting

Hybrid Technologies

Material deposition

Gypsum / Plaster

Short series

Production Flexibility

Big components

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ix

Agradecimentos

Em primeiro lugar quero agradecer ao Professor Doutor Rui Neto pelo apoio e orientação

prestada no desenvolvimento deste trabalho, pelos conselhos e pela partilha de conhecimento.

Ao Engenheiro João Paulo, meu orientador no INEGI, pelos seus comentários e opiniões que

ajudaram a conceber as soluções apresentadas neste trabalho e também por me ter apresentado

o Engenheiro Jorge Teixeira, ao qual também direciono os meus agradecimentos, por me ter

auxiliado no desenho de uma das soluções do trabalho.

A todos os colaboradores do INEGI, que fui conhecendo e que, de uma ou outra forma,

contribuíram para o sucesso deste projeto, nomeadamente à Margarida Machado, André

Cavaleiro, Armanda Marques e ao Sr. Fernando. Um agradecimento especial ao Rui Soares,

Luís Moreira e ao Engenheiro Bártolo Paiva, José Teixeira e ao Carlos Rocha por toda a ajuda

e companheirismo demonstrado.

Aos docentes de Mecânica dos Fluidos do Departamento de Engenharia mecânica que me

auxiliaram em determinado ponto deste trabalho, especialmente ao Professor Fernando Pinho

e ao Professor Álvaro Rodrigues.

E porque os últimos são sempre os primeiros, queria agradecer a todos os amigos que fiz nestes

fantásticos cinco anos pelo companheirismo e amizade, por me acompanharem dentro e fora

das salas de aula: ao Coelho, ao Chico, ao Hugo e ao Mankind pela animação garantida, ao Zé

e ao Sérgio porque a minha vida não era a mesma se não soubesse tanto de aviões, às Marias e

à Catarina G. que são a prova que também existem boas engenheiras, ao Rui e ao Roberto pelas

gargalhadas contagiantes e a todos os outros que foram passando pela BatCave.

Sem esquecer de agradecer aos amigos da Z que continuaram sempre presentes. Em particular,

ao Eduardo e ao Miguel por me terem ajudado a chegar até à FEUP, ao Pedro pelas conversas,

ao Rafa e ao Diogo que foram uma boa surpresa. À Mariana pelos crepes que me alegraram as

tardes de estudo. Por último, aos meus amigos Luís Vieira e Jorge Gonçalves pelas inúmeras

tardes/dias/semanas de estudo e de trabalho.

Um agradecimento sentido aos meus pais, Arminda Sá e Manuel Silva, pelo apoio constante e

por me terem conduzido até esta meta. Às minhas irmãs Carolina e Bernardete e aos meus

cunhados Hilário e José Carlos por me terem encorajado e motivado a percorrer este caminho.

Obrigada também aos meus sobrinhos Afonso, Diogo e Eduardo pela alegria proporcionada

nestes últimos anos.

Por fim, gostaria de agradecer à Catarina pelo carinho e apoio demonstrado ao longo destes

anos e em especial pela compreensão e ajuda nestes últimos meses.

Esta dissertação foi desenvolvida no âmbito do projeto ADIMAQ – Fabrico ADItivo por extrusão

e MAQuinagem para produção híbrida de modelos, moldes e moldações de grandes dimensões,

Projeto em Co-Promoção (SI I&DT) com a referência POCI-01-0247-FEDER-003433

cofinanciado pelo Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (COMPETE

2020) através do Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional. (FEDER)

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Índice de Conteúdos

1. Introdução .............................................................................................................................. 1

1.1 Enquadramento ...................................................................................................................... 1

1.2 Motivação ............................................................................................................................... 1

1.3 Objetivos ................................................................................................................................ 2

1.4 Apresentação das empresas inseridas no Projeto ADIMAQ .................................................. 2

1.5 Estruturas da dissertação ....................................................................................................... 4

2. Estado da Arte ........................................................................................................................ 5

2.1 Contextualização .................................................................................................................... 5

2.2 Introdução Histórica e Propriedades do Gesso ...................................................................... 6

2.2.1 Tipos de Gesso .................................................................................................................. 8

2.2.2 Desidratação e Reidratação do gesso ............................................................................... 9

2.2.3 Microestrutura do gesso e ligações mecânicas ............................................................... 11

2.2.4 Viscosidade ..................................................................................................................... 12

2.3 Fabrico Aditivo ..................................................................................................................... 13

2.3.1 Processos de Fabrico Aditivo .......................................................................................... 14

2.3.2 Obtenção de materiais cerâmicos através de processos AM .......................................... 15

2.3.3 Processos de FA de grandes dimensões aplicado em polímeros e metais ..................... 17

2.3.4 Processos de extrusão de argamassas de grandes dimensões ...................................... 18

2.3.5 Propriedades mecânicas ................................................................................................. 21

2.3.6 Aplicações espaciais........................................................................................................ 22

2.3.7 Aplicações domésticas .................................................................................................... 22

2.4 Equipamentos Híbridos ........................................................................................................ 23

2.5 Sistemas de Mistura ............................................................................................................. 24

2.5.1 Sistemas de mistura Contínuos ....................................................................................... 24

2.6 Sistemas de Bombagem ...................................................................................................... 26

2.6.1 Bombas de cavidade progressiva .................................................................................... 26

2.6.2 Bombas Peristálticas ....................................................................................................... 26

2.6.3 Bombas de Parafuso – tipo Arquimedes.......................................................................... 27

xii

3. Projeto ADIMAQ ...................................................................................................................29

3.1 Fabrico Aditivo com pastas de Gesso .................................................................................. 30

3.1.1 Aplicações ........................................................................................................................ 30

3.1.2 Vantagens / Desvantagens .............................................................................................. 30

3.2 Ensaios realizados ............................................................................................................... 31

3.2.1 Equipamento de testes – extrusora de êmbolo ................................................................ 31

3.2.2 Máquina Turbosol-Giotto .................................................................................................. 35

4. Sistemas de extrusão de pastas de gesso ...........................................................................39

4.1 Requisitos ............................................................................................................................. 39

4.2 Especificações...................................................................................................................... 40

4.3 Solução I – Adaptação da Máquina GIOTTO – TURBOSOL ............................................... 41

4.4 Solução II – Novo Conceito .................................................................................................. 45

5. Simulações do sistema de extrusão no SolidWorks ............................................................47

5.1 Configuração das simulações .............................................................................................. 47

5.2 Condições de fronteira e volume de controlo ....................................................................... 51

5.3 Simulações de teste ............................................................................................................. 52

5.4 Simulações com pasta de gesso .......................................................................................... 53

6. Conclusões e perspetivas de trabalho futuro .......................................................................55

6.1 Conclusões ........................................................................................................................... 55

6.2 Trabalhos Futuros ................................................................................................................ 57

Referências ................................................................................................................................59

ANEXO A - Estimativa da Potência necessária para o motor do misturador da solução II ......63

ANEXO B: Desenho conjunto do sistema de saída da solução I ......................................65

ANEXO C: Desenho conjunto da bomba da solução I ......................................................66

ANEXO D: Desenho conjunto da cabeça extrusora da solução I ......................................67

ANEXO E: Desenho conjunto da solução II .......................................................................68

ANEXO F: Resultados da simulação do sistema de extrução para uma estimativa de caudal de

4,5 L/min – 12.4rad/s ............................................................................................................69

xiii

Lista de Siglas, Símbolos e Abreviaturas

3D – Três Dimensões / Tridimensional

ADIMAQ - Fabrico ADItivo por extrusão e MAQuinagem para produção

híbrida de modelos, moldes e moldações de grandes dimensões.

AM – Additive Manufacturing

ASTM – American Society for Testing and Materials

BAAM – Big Area Additive Manufacturing

CAD – Computer Aided Design

CAE – Computer Aided Engineering

CC – Contour Crafting

CEI – Companhia de Equipamentos Industriais, Lda.

DAAAM – Danube Adria Association for Automation & Manufacturing

EFF – Extrusion Freeforming

FA – Fabrico aditivo

FDC – Fused Deposition of Ceramics

FERESPE – Fundição de Ferro e Aço, Lda.

GE – General Electrics

LOM – Laminated Object Manufacturing

NASA – National Aeronautics and Space Administration

ORNL – Oak Ridge National Laboratory

POSTECH - Pohang University of Science and Technology

PU – Poliuretano

RC – Robocasting

SDM – Shaped Deposition Manufacturing

SL – Stereolithography

SLS – Selective Laser Sintering

xiv

xv

Índice de Figuras

Figura 1 – a) Sarcófago egípcio de Ankh-f-n-khonsu revestido com gesso (CARR 2015) e b)

Conjunto das Pirâmides de Giza no Egipto (Liberato 2006) com gesso utilizado como ligante.

.................................................................................................................................................... 6

Figura 2 – a) A Última Ceia (Ricordo 2012) e b) Teto da Capela Sistina (Coutinho 2010) ...... 6

Figura 3 – Exemplos de aplicações gesso na construção civil: a) revestimento de paredes

(Nakamura 2014), b) edificação de divisões / isolante térmico (Carlos 2010), c) elemento

decorativo (teto) (schartzhaupt 2016). ........................................................................................ 7

Figura 4 - Etapas de obtenção de uma caneca cerâmica através do processo de Slip Casting: a)

criação de um modelo, b) e c) produção do molde, d) vazamento da porcelana, e) produto pronto

para secagem (Rice 2013)........................................................................................................... 7

Figura 5 - Basilique du Sacré-Cœur, em Montmartre, Paris (HD 2016) ................................... 9

Figura 6 - Microestrutura típica dos gessos α e β hemihidratados (Caetano 2016) ................. 11

Figura 7 - Ilustração da zona de água confinada (Caetano 2016) ............................................ 12

Figura 8 - Aplicação para tratamento de fraturas com recurso a impressão 3D (Kim e Jeong

2015) ......................................................................................................................................... 13

Figura 9 - Impressora HP com tecnologia Multi Jet Fusion apresentada em 2014 (Hewlett-

Packard 2015). .......................................................................................................................... 14

Figura 10 - Classificação dos processos de SFF segundo o estado do material (Tay, Evans, e

Edirisinghe 2003). .................................................................................................................... 14

Figura 11 - Exemplo de reprodução de uma peça recorrendo ao Robocasting (Cesarano, Baer,

e Calvert 1997). ........................................................................................................................ 16

Figura 12 - Réplica do modelo Shelby Cobra da Ford, obtido através do processso BAAM

(Ponticel 2015) ......................................................................................................................... 17

Figura 13 – a) Motor Rolls-Royce Trent XWB-97 que contém uma peça de Titânio com 1,5m

de diâmetro obtida através de tecnologia de fabrico aditivo (QCS 2015) e b) componente

estrutural do Airbus A350 que “voou” a primeira vez em junho de 2014 (Holly B. 2016) ..... 17

Figura 14 – a) Conceito de impressão e b) casa obtida com base na tecnologia CC

(CHINADAILY 2016) ............................................................................................................. 18

Figura 15 - Construção de suite de luxo no Hotel Lewis Grand, recorrendo a tecnologia 3D

(Rudenko 2015). ....................................................................................................................... 18

Figura 16 -Cabeça Extrusora CC com espátula de topo e lateral regulável (Khoshnevis et al.

2001) ......................................................................................................................................... 19

Figura 17 - a) Máquina originalmente desenvolvida para avaliação do conceito, b) Máquina

após alterações que permitiram a produção de peças concavas e convexas (Figura c)

(Khoshnevis et al. 2001) ........................................................................................................... 19

Figura 18 - Imagens da cabeça extrusora após processo de otimização, e peças por ela obtidas

(Khoshnevis 2004) .................................................................................................................... 19

Figura 19 – Conceito de construção de telhados baseado em métodos ancestrais (à direita)

(Khoshnevis 2004) .................................................................................................................... 20

xvi

Figura 20 – Sistema de deposição de cimento com sistema de melhoramento do contorno

(Nylund et al. 2015). ................................................................................................................ 20

Figura 21 - Curva Força-Deslocamento de pasta com e sem reforço de fibra de carbono.

(Allameh 2015) ........................................................................................................................ 21

Figura 22 - Efeito do reforço da fibra de carbono na curva de Carga-Deslocamento (Allameh

2015) ........................................................................................................................................ 21

Figura 23 - Cabeças de deposição de polímeros, gesso e cimento, pela ordem respetiva (Allameh

2015). ....................................................................................................................................... 21

Figura 24 - Conceito de equipamento para construção na Lua com base na tecnologia CC

(Rosenfield 2014). .................................................................................................................... 22

Figura 25 - Impressora 3D da empresa portuguesa Bee Very Creative (BEEVERYCreative

2014). ....................................................................................................................................... 22

Figura 26 - Ferramenta AMBIT desenvolvida pela Hybrid Manufacturing Technologies (HMT

2013) ........................................................................................................................................ 23

Figura 27 – Máquinas híbridas Lasertec 65 da DMG (DMG 2016) e Lumex Avance-25 (MC

2016) da Matsuura. .................................................................................................................. 23

Figura 28 - Sistemas de mistura manuais da Unitec - (UNITEC 2016) .................................. 24

Figura 29 - Sistemas de mistura contínua da Wuxi (Wuxi 2016) ............................................ 25

Figura 30 - Extrusora/Misturadora Sigma Mixer da S.F. engineering Works (SF 2008) ........ 25

Figura 31 - Equipamentos de mistura Schugi® Flexomix da empresa Hosokawa Micron

(HOSOKAWA 2008) ............................................................................................................... 25

Figura 32 - Bomba de cavidade progressiva com estator deformável (TecamySer 2016). ..... 26

Figura 33 - Bomba peristáltica ALH da Albin Pump (pump 2016) ......................................... 27

Figura 34 – a) Imagem ilustrativa do sistema de parafuso desenvolvido por Arquimedes de

Siracusa (Wiener 2007), b) Bomba de parafuso utilizada na transferência de água (Babcock

2015). ....................................................................................................................................... 27

Figura 35 - Placas extrudidas manualmente sem e com processo de calcamento ................... 31

Figura 36 - Equipamento de extrusão montado no protótipo................................................... 33

Figura 37 – Peças obtidas com recurso à máquina, de forma totalmente automatizada. ......... 34

Figura 38 – Imagens de peças cortadas: peça depositada livremente (à esquerda) e calcada (à

direita). ..................................................................................................................................... 34

Figura 39 - Comparação entre peça depositada antes e depois de maquinar. .......................... 34

Figura 40 - Máquina de Estuque trifásica GIOTTO, da TURBOSOL (TURBOSOL 2016). .. 35

Figura 41 - Remoção dos blocos dos recipientes e registos efetuados. ................................... 37

Figura 42 - Blocos de gesso maquinados. a) Qágua = 300 L/h e b) 600 L/h ........................... 37

Figura 43 - Maquinação interior do estator da bomba de cavidade progressiva da máquina

Turbosol ................................................................................................................................... 38

Figura 44 - Reservatório de materiais em pó e sistema de bombagem da máquina Turbosol

(TURBOSOL 2016) ................................................................................................................. 41

Figura 45 -Zona de Mistura da máquina e duas das hélices possíveis de escolher (TURBOSOL

2016). ....................................................................................................................................... 41

xvii

Figura 46 - Sistema de extrusão da máquina TURBOSOL (TURBOSOL 2016)- ................... 42

Figura 47 - Solução para a saída do material do misturador – VER ANEXO B. .................... 42

Figura 48- Solução para bombagem desde a saída do misturador até à cabeça extrusora – VER

ANEXO C ................................................................................................................................ 43

Figura 49 - Cabeça de extrusão concebida na solução I – VER ANEXO D ............................ 43

Figura 50 - Sequência de posicionamento dos diferentes elementos da primeira solução ....... 44

Figura 51 – Conceito apresentado na Solução II – VER ANEXO E ....................................... 45

Figura 52 – Vistas de corte da a) zona de extrusão b) zona de mistura da solução II. ............. 46

Figura 53 – Quadro resumo das dimensões do dispositivo de medição (ThermoFisher 2015) 50

Figura 54 - Tabela do SolidWorks onde são caracterizadas as condições de deslizamento. .... 50

Figura 55 – a) Condições de fronteira do volume de controlo e b) Volume do fuso ............... 51

Figura 56 – Gráfico do caudal obtido nas simulações em função da velocidade de rotação

induzida no fuso ....................................................................................................................... 54

xviii

Índice de Tabelas

Tabela 1 - Resumo das propriedades dos tipos de sulfato de Cálcio (Caetano 2016). .............. 8

Tabela 2 - Quantidade calor libertada durante o processo de reidratação (Caetano 2016) ...... 10

Tabela 3 - Categorias de processos AM segundo a norma F2792-12a da ASTM ................... 15

Tabela 4 - Área de secção do êmbolo e dos bicos de extrusão ................................................ 33

Tabela 5 - Velocidade de deposição em função do bico de extrusão utilizado. ...................... 33

Tabela 7 - Parâmetros reológicos para diferentes modelos de escoamento de fluidos não-

newtonianos (Papo 1988) ......................................................................................................... 47

Tabela 8 - Valores estimados da velocidade a impor aofuso para um determinal caudal ....... 52

Tabela 9 - Resultados das simulações de teste: Água (ρ = 1000 kg/m3) ................................. 52

Tabela 10 - Resultados das simulações de teste: “Slurry” (ρ = 1647,2 kg/m3) ....................... 52

Tabela 11 – Resultados das simulações para pasta de gesso (ρ = 2600 kg/m3) ....................... 53

Tabela 12 - Resultados das simulações para pasta de gesso com pressão atmosférica à entrada

da bomba .................................................................................................................................. 53

Tabela 13 - Caudais obtidos para diferentes velocidades de rotação do fuso .......................... 54


1

1. Introdução

1.1 Enquadramento

A dissertação aqui presente, denominada “Desenvolvimento de um sistema de extrusão de

pastas de gesso para fabrico aditivo” está agregada ao projeto ADIMAQ (Fabrico ADItivo por

extrusão e MAQuinagem para produção híbrida de modelos, moldes e moldações de grandes

dimensões) fruto do consórcio entre as empresas CEI by Zipor e FERESPE e o instituto de

interface INEGI, no qual esta tese foi realizada – Departamento de Desenvolvimento de

Produtos e Sistemas.

Nas solicitações de mercado atuais é cada vez mais comum a produção de séries curtas ou até

mesmo de peças únicas, com cada vez maior número de especificações o que se torna bastante

dispendioso para qualquer indústria de fundição ou cerâmica, uma vez que implica custos nas

ferramentas (moldes/modelos) que são difíceis de amortizar. Torna-se assim necessária a

exploração de soluções de produção alternativas que priorem pela flexibilidade, rapidez e baixo

custo.

O projeto ADIMAQ consiste em desenvolver um equipamento híbrido que combine as

tecnologias de fabrico aditivo (FA) e de fabrico subtrativo (FS) por maquinagem 5 eixos, capaz

de fabricar meios de produção e modelos em diferentes materiais.

Os materiais alvos de estudo no ADIMAQ correspondem às principais matérias-primas dos

moldes/moldações/modelos das indústrias que utilizam materiais metálicos fundidos, materiais

cerâmicos e materiais compósitos, nomeadamente areia de sílica, gesso e resinas

termoendurecíveis.

Dada a envergadura deste subsistema, torna-se essencial desenvolver com especial cuidado e

máximo detalhe cada elemento do equipamento. Assim, o trabalho desenvolvido ao longo desta

tese será relevante para a concretização do projeto ADIMAQ, visto que nele é projetado e

desenvolvido um dos elementos essenciais: o módulo do processo aditivo FA para gesso.

Ao longo deste trabalho serão recolhidos e analisados os requisitos que permitirão explorar um

conjunto de conceitos até chegar a uma solução materializável.

1.2 Motivação

Esta dissertação foi realizada para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica pela

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, no ramo de especialização de Produção,

Conceção e Fabrico.

O projeto ADIMAQ procura dar resposta às necessidades industriais acima descritas (secção

1.1) e inovar face às tecnologias de fabrico atualmente disponíveis no mercado para a produção

de moldes, moldações e modelos em materiais não metálicos (em particular gesso, areia e resina

termoendurecível). A motivação do projeto passa por obter eficiências acrescidas em termos de

custo, utilização de matérias-primas e exploração de geometrias.

Em relação a esta dissertação, a motivação reincide no auxílio ao sucesso do projeto ADIMAQ

onde ela está associada, conforme descrito no Enquadramento (secção 1.1).


2

1.3 Objetivos

O objetivo central do projeto ADIMAQ como já evidenciado na secção 1.1, consiste no

desenvolvimento de um equipamento de processamento híbrido que combina as tecnologias de

fabrico aditivo (FA) por extrusão e fabrico subtrativo (FS) por maquinagem capaz de fabricar

meios de produção (moldes, moldações e ferramentas) e modelos em diferentes materiais, de

forma a que existam vantagens económicas na utilização de recursos e produção de geometrias

complexas em conformidade com a motivação do projeto (secção 1.2).

No decorrer desta dissertação pretende-se projetar e desenvolver um dos elementos

fundamentais do equipamento: o módulo de fabrico aditivo (FA) para gesso que permitirá a

impressão de produtos através da extrusão de pastas de gesso.

O módulo FA deverá cumprir um conjunto de requisitos estruturais, funcionais, de segurança e

até de design para que possa ser convenientemente construído e operável. Entre estes destacar-

se-á a capacidade de extrudir pastas de gesso de forma controlada (caudal e velocidade) fazendo

alterar a área do orifício de deposição e a velocidade de rotação da bomba.

1.4 Apresentação das empresas inseridas no Projeto ADIMAQ

INEGI - Instituto de Ciência e Inovação em Engenharia Mecânica e Engenharia Industrial

Fundado em 1986 e sediado no campus da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

(FEUP), o INEGI nasceu no seio dos atuais Departamentos de Engenharia Mecânica (DEMec)

e de Engenharia e Gestão Industrial (DEGI) da FEUP. Apresenta-se como um Instituto de novas

tecnologias que auxilia na interface Universidade-Indústria. A sua atividade foca-se no

desenvolvimento de investigação e inovação ao nível tecnológico para transferência para o

tecido industrial.

Juridicamente, o INEGI é classificado como uma Associação Privada sem Fins Lucrativos e

detém o estatuto de “Utilidade Pública”. Atualmente é composto por um total de 200

colaboradores que contribuem ativamente para o desenvolvimento da indústria e economia

através da inovação científica e tecnológica. Por outro lado, o INEGI promove o

desenvolvimento pessoal e profissional dos seus colaboradores assim como o enriquecimento

do ensino superior.

Ao nível da gestão organizacional encontra-se subdividido em duas comissões: a comissão

executiva (gestão) e a comissão científica (suporte à gestão da atividade de investigação). A sua

atividade centra-se em três grandes ramificações: Investigação, Inovação e Transferência de

Tecnologia e por fim, Consultoria e Serviços. A investigação é suportada por um conjunto de

unidades especializadas consoante a área científica e tecnológica. Transversal a estas, funciona

a atividade de IDI e Consultoria cujo foco é o desenvolvimento de soluções para empresas.

Esta estrutura torna possível a integração de conhecimentos e competências multidisciplinares

essenciais para a concretização de projetos de desenvolvimento e inovação com elevada

complexidade tecnológica.


3

Na base da investigação levada a cabo nesta instituição estão diferentes subunidades agrupadas

em grandes unidades com financiamento plurianual da Fundação para a Ciência e Tecnologia

(FCT) – a Unidade de Novas Tecnologias e Processos Avançados de Produção e a Unidade de

Mecânica Experimental e Novos Materiais.

Além disto, o INEGI é uma Unidade de Investigação do Laboratório Associado de Energia,

Transportes e Aeronáutica (LAETA), que agrega também o Instituto de Engenharia Mecânica

- Polo IST, o Instituto de Engenharia Mecânica - Polo FEUP, o Centro de Ciência e Tecnologia

em Aeronáutica e Espaciais do IST e o Laboratório de Aeronáutica Industrial da Universidade

de Coimbra. Adicionalmente, o Instituto mantém também relações privilegiadas com outras

Unidades de Investigação nomeadamente o CESA – Centro de Estudos de Energia Eólica e

Escoamentos Atmosféricos e o CEFT – Centro de Estudos de Fenómenos de Transporte, ambos,

formalmente sediados na FEUP.

Mantém ainda relações de cooperação com outras entidades do Sistema Nacional e Europeu de

Inovação como meio de potenciar o seu impacto.

FERESPE- Fundação de Ferro e Aço, Lda.

Quando iniciou a sua atividade, em 1981, o seu principal objetivo era a produção de Ferros de

Alta liga por ser um nicho de mercado em Portugal. No entanto, com o passar dos anos, e uma

vez que este nicho não era suficiente para a dinâmica dos seus 78 colaboradores aumentou a

sua abrangência passando a produzir também Aços de Alta, Média e Baixa liga. Uma década

depois desta mudança, destaca-se como fundição de aços inoxidáveis super-duplex e super-

austeníticos.

O seu nicho de mercado atual caracteriza-se por pequenas e médias séries com exigências de

prazos de entrega curtos e elevados padrões de qualidade. A capacidade de venda de peças

fundidas ferrosas é de 1.100 Ton/ano sendo a maioria para exportação (85%).

As aspirações da empresa levam a que se envolva frequentemente em projetos de investigação

e desenvolvimento em diferentes áreas através de parcerias com Universidades, Centros de

Investigação, Centros Tecnológicos e outras empresas tanto a nível nacional como

internacional.

A FERESPE encontra-se dividida em quatro grandes áreas de trabalho: 1) Engenharia e Projeto;

2) Execução de moldes; 3) Moldação e Fundição e 4) Acabamentos. Em relação à primeira, a

empresa aposta na combinação da experiência humana com a tecnologia. A moldação pode ser

mecânica ou manual, para dimensões de peça até 900x900x600mm e 1200x1200x800mm,

respetivamente. Por fim, os acabamentos das peças fundidas são feitos com recurso a diversos

equipamentos. Nalguns casos, tal como para a execução de moldes, a empresa recorre à

subcontratação.


4

CEI by Zipor - Centro de Equipamentos Industriais

A CEI foi fundada em 1995 e é uma empresa europeia, líder em soluções de corte, para a

indústria do calçado e de rochas ornamentais.

A sua estratégia passa por apostar em tecnologias transversais a vários sectores industriais

promovendo a diversificação da sua atividade. Em linha com esta estratégia, tem vindo a

desenvolver uma gama completa de produtos através de soluções que satisfazem diferentes

sectores industriais tais como tecnologia de corte por jato de água, fresagem, tecnologia a laser,

corte por jato de água e tecnologia robótica. Os sectores industriais das rochas ornamentais,

calçado, automóvel, aeronáutica, metalomecânica são alguns exemplos.

Desde o seu início que aposta no desenvolvimento de know-how tendo-se tornado uma marca

com reconhecimento internacional pela excelência em tecnologias jato de água, CNC,

CAD/CAM, laser e robótica que possibilitam a criação e fabrico, em Portugal, de equipamentos

de alta tecnologia. Prova do seu reconhecimento internacional é, em 2004, ser marca de 2000

equipamentos instalados em 56 países.

A CEI conta com vários prémios a nível de inovação tecnológica destacando-se, sobretudo, na

área do calçado.

1.5 Estruturas da dissertação

Esta dissertação está dividida em 6 capítulos:

1. Este primeiro capítulo introdutório serve para fazer o enquadramento na matéria em

estudo e apresentar a motivação e objetivos do trabalho

2. No segundo capítulo é exposto o estado da arte. É realizada uma introdução histórica e

são apresentadas algumas propriedades do gesso, bem como o conceito de fabrico

aditivo, alguns processos e equipamentos disponíveis no mercado. É ainda feita

referência à existência de equipamentos híbridos, sistemas de bombagem e de mistura.

3. O capítulo 3 introduz o propósito desta dissertação e explica em que contexto está

inserido, nomeadamente na utilização de gesso para fabrico aditivo.

4. No capítulo 4 são apresentadas as soluções propostas para o desenvolvimento de um

sistema de extrusão de pastas de gesso para fabrico aditivo.

5. No capítulo 5 são apresentados resultados de simulações do sistema de extrusão das

soluções propostas, bem como as considerações feitas para as realizar.

6. As conclusões e sugestões de trabalhos futuros constituem o capítulo 6.


5

2. Estado da Arte

2.1 Contextualização

Nos dias de hoje, dada a frequência com que são aumentadas as especificações dos produtos

em séries cada vez mais curtas, torna-se necessário explorar tecnologias de produção

alternativas de forma a possibilitar diminuição de custos, tempo de produção e exploração de

geometrias. As tecnologias de Fabrico Aditivo vêm tentar dar resposta a estas solicitações a

médio e longo prazo nas mais diversas áreas (INEGI 2015).

Nas indústrias cerâmicas, de fundição e de compósitos é comum recorrerem-se a meios de

produção, como moldes e/ou modelos, maquinados em resinas, cujo custo de fabrico é bastante

elevado, devido ao preço das resinas utilizadas (cerca de 15 a 20 €/kg) e ao grande desperdício

de matéria-prima durante a maquinagem. Portanto, torna-se também importante a exploração

de novos materiais, que possam desempenhar as mesmas funções, com custos inferiores, como

é o caso do gesso (0.10€-0.50€/kg) – objeto de estudo nesta tese.

A dimensão deste problema acentua-se quando as peças que se desejam fabricar possuem

elevadas dimensões/volume ou quando são utilizados para produzir séries curtas ou peças

únicas. Para além do incremento de custos em matéria-prima, existe um aumento no intervalo

de tempo de maquinagem para o desbaste de grandes quantidades de material o que implica

necessariamente mais despesas em ferramentas dadas as características abrasivas dos materiais.

Tendo em conta o conjunto de problemas apresentados têm vindo a desenvolver-se e a ser

testadas tecnologias de fabrico aditivo, com vista a melhorar a produção nos sectores industriais

referidos. Uma das soluções com maior potencial na atualidade passa pela utilização de

processos de extrusão de material, pois dada a sua versatilidade, tornam possível a criação de

uma pré-forma da peça pretendida que é concluída com a precisão necessária após processo

subtrativo (INEGI 2015). É por este motivo que, ao longo deste trabalho, irá surgir diversas

vezes a designação de tecnologia híbrida, que se refere a esta combinação dos processos de

adição (FA) e subtração de material (FS).

As vantagens de obter peças através da extrusão de material são principalmente a rapidez de

deposição de material - que pode ser controlada; a liberdade para explorar geometrias e o baixo

custo proveniente do desperdício reduzido de material e dos baixos consumos de energia

(elementos de controlo e bombagem), quando comparados com outros processos aditivos (com

recurso a laser por exemplo).

Reunida esta informação, torna-se aliciante colocar como hipótese a obtenção de meios de

produção para as indústrias acima referidas, através da extrusão de pastas de gesso. Por um

lado, por ser um processo de fabrico aditivo com diversas vantagens (acima enunciadas) e por

outro, por utilizar um material já conhecido nesses sectores, com propriedades interessantes e

a um custo muito apelativo.

Assim, este capítulo começa por expor um estudo bibliográfico sobre o gesso, nomeadamente sobre

a sua proveniência, utilização e aplicação. De seguida, são apresentados os conceitos de fabrico

aditivo, quais os materiais e processos utilizados e as ofertas de mercado disponíveis, dando especial

destaque aos materiais cerâmicos e aos processos de extrusão.


6

2.2 Introdução Histórica e Propriedades do Gesso

Essencialmente constituído por sulfato de cálcio, o gesso é um mineral natural de cor branca e

baixa dureza (nível 2 na escala de Mohs) que quando em contacto com água endurece, formando

um sólido hidrato cristalino (Pfafflin e Ziegler 2006; Infopédia 2003-2016).

Na natureza, pode ser encontrado em massas foliáceas, em regiões vulcânicas e também como

constituinte da anidrite, da calcite, da pirite e do quartzo (Infopédia 2003-2016). A existência de

gesso em massas foliáceas deve-se à sedimentação de rochas bastante macias e com impurezas em

mares rasos que evaporaram há vários milhões de anos, mais concretamente, durante o último

período da era Paleozoica (Caetano 2016).

Os registos da utilização de gesso em diversas aplicações remontam à Antiguidade,

principalmente em zonas de clima seco, como era o caso das civilizações Fenícia e Egípcia,

onde o gesso era utilizado como pigmento branco, como substrato em pinturas murais e

cartonagem de sarcófagos (Figura 1a) e ainda como ligante de blocos de pedra em estruturas

ancestrais como as famosas pirâmides do Egipto (Gomes, Paula F. Pinto, e Bessa Pinto 2013).

Figura 1 – a) Sarcófago egípcio de Ankh-f-n-khonsu revestido com gesso (CARR 2015) e b)

Conjunto das Pirâmides de Giza no Egipto (Liberato 2006) com gesso utilizado como ligante.

No período do Renascimento o gesso passa a ser bastante utilizado na construção de talhas,

como adorno e no auxílio da produção de esculturas em pedra, uma vez que possibilitava a

construção prévia de modelos (editorial 2000). Contudo, a aplicação que mais marcou esta

época foi o seu uso no desenvolvimento de uma técnica de pintura para a produção dos

vulgarmente designados frescos. São exemplos bem conhecidos obras como o teto da Capela

Sistina da autoria de Michelangelo e A Última Ceia de Leonardo da Vinci (Pinhal 2008).

Figura 2 – a) A Última Ceia (Ricordo 2012) e b) Teto da Capela Sistina (Coutinho 2010)

Atualmente, o gesso é um material bastante utilizado no ramo da construção civil,

principalmente no revestimento e decoração de paredes e superfícies por ser um bom isolante

térmico, ser resistente ao fogo e dadas as suas características hidrófilas (Infopédia 2003-2016).

Isto permite que em alturas mais frias, alguma da humidade do ar, indesejada no Inverno, seja

a)

b)

a) b)


7

absorvida pelo gesso, evitando fenómenos de condensação. Por outro lado, em épocas mais

quentes, como no Verão, essa humidade acaba por ser libertada por ação do calor

proporcionando um clima envolvente mais agradável, isto é, menos seco (Sonante 2016). Ainda

no ramo da construção, pode ser utilizado para controlar o tempo de presa das misturas de

cimento.

Figura 3 – Exemplos de aplicações gesso na construção civil: a) revestimento de paredes (Nakamura 2014),

b) edificação de divisões / isolante térmico (Carlos 2010), c) elemento decorativo (teto) (schartzhaupt 2016).

O gesso pode ainda ser empregue no fabrico de utensílios de terapêutica cirúrgica para

recuperação de fraturas ósseas, para impressão de telas e papel de parede ou no sector agrícola

fertilizante como forma de aumentar o pH dos solos (Caetano 2016).

Porém, a área de aplicação mais relevante e com mais interesse no âmbito desta dissertação é a

indústria cerâmica. No caso particular das cerâmicas sanitárias, o gesso é utilizado como

matéria-prima para o fabrico de modelos, madres e moldes na produção por enchimento,

contramoldagem ou prensagem (Fernandes e Reinke 2000). Na Figura 4 está ilustrado um

exemplo de obtenção de uma Caneca através do processo de vazamento – Slip Casting.

Figura 4 - Etapas de obtenção de uma caneca cerâmica através do processo de Slip Casting: a) criação de um

modelo, b) e c) produção do molde, d) vazamento da porcelana, e) produto pronto para secagem (Rice 2013).

a) b) c)

a) b)

c) d) e)


8

2.2.1 Tipos de Gesso

O termo gesso é utilizado muitas vezes para se referir de forma genérica a um conjunto de

ligantes obtidos da pedra de gesso. No entanto, estes ligantes podem ser mais ou menos

hidratados ou anidros. As suas constituições dependem das temperaturas atingidas durante a

cozedura da pedra de gesso (CaSO4∙2H2O) (Gomes, Paula F. Pinto, e Bessa Pinto 2013):

o Para temperaturas entre 125ºC e 180ºC obtém-se sulfato de cálcio hemihidratado, por

vezes, também designado como gesso de Paris devido à forte exploração de uma jazida

de pedra de gesso de grandes dimensões em Montmartre, Paris. Atualmente, próximo

do local da jazida, encontra-se a Basilique du Sacré-Cœur, construída com

mármore travertino que apresenta características semelhantes a este tipo de gesso, caso

da cor, conforme se pode observar na Figura 5.

o No caso de temperaturas superiores a 180ºC ocorre a desidratação total da gipsite

originado diferentes formas de anidrita (CaSO4):

Calcinações a temperaturas compreendidas entre 180ºC e 250ºC originam a anidrite

solúvel (anidrite III), CaSO4 (sulfato de cálcio anidro), um produto ávido de água,

motivo pelo qual é utilizada como acelerador do tempo de presa.

A calcinação sob temperaturas compreendidas entre 300ºC e 700ºC dão origem à

anidrite II, um sulfato de cálcio totalmente desidratado, por isso designado como

anidrite insolúvel, que só faz presa na presença de adjuvantes especiais.

Finalmente, se a temperatura for de 900ºC a 1000ºC forma-se o gesso hidráulico

que, tal como a anidrite insolúvel, também necessita de um acelerador de presa.

Tabela 1 - Resumo das propriedades dos tipos de sulfato de Cálcio (Caetano 2016).


9

Como podemos observar na Tabela 1, existe uma diferenciação do gesso hemihidratado em α e

β. Os dois tipos distinguem-se essencialmente devido ao tipo de processo utilizado para a sua

produção.

É de notar, que a classificação de estabilidade termodinâmica, apresentada na Tabela 1, refere-se a

condições de presença de vapor de água na sala de observação. Na ausência de vapor de água, com

temperaturas abaixo dos 46ºC, apenas o gesso hidratado permanece estável e acima dessa

temperatura, a anidrite insolúvel (Caetano 2016).

Figura 5 - Basilique du Sacré-Cœur, em Montmartre, Paris (HD 2016)

Em termos de preocupações ambientais e de segurança do meio envolvente, deverá-se-á ter

apenas em conta que, quer na produção de gesso, quer na sua utilização depois de calcinado

poderá ser levantado algum pó que não deve ser inalado (Pfafflin e Ziegler 2006).

2.2.2 Desidratação e Reidratação do gesso

Os moldes e moldações cerâmicas são produzidos através de gesso hemihidratado. A equação

(1) descreve a reação de desidratação do sulfato de cálcio hidratado com o fornecimento de

calor. A remoção de água de cristalização é da ordem dos 75% (Caetano 2016).

𝐶𝑎𝑆𝑂4 ∙ 2𝐻2𝑂 + 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 → 𝐶𝑎𝑆𝑂4 ∙1

2𝐻2𝑂 +

3

2𝐻2𝑂 (1)

Se ao produto da reação anterior (gesso hemihidratado) se continuar a fornecer calor, este

passará a anidrite solúvel e posteriormente a anidrite insolúvel:

𝐻𝑖𝑑𝑟𝑎𝑡𝑎𝑑𝑜 → 𝐻𝑒𝑚𝑖ℎ 𝑖𝑑𝑟𝑎𝑡𝑎𝑑𝑜 → 𝐴𝑛𝑖𝑑𝑟𝑖𝑡𝑒 𝑆𝑜𝑙ú𝑣𝑒𝑙 → 𝐴𝑛𝑖𝑑𝑟𝑖𝑡𝑒 𝐼𝑛𝑠𝑜𝑙ú𝑣𝑒𝑙

125ºC e 180ºC → 180ºC e 250ºC → 300ºC e 700ºC


10

A quantidade de calor necessário (em J/mol ou kJ/g) para passar o hidratado para qualquer uma

das outras fases está representada na Tabela 2 (Caetano 2016).

Tabela 2 - Quantidade calor necessária para desidratação do hidratado (Caetano 2016).

Na indústria de fundição, são utilizadas duas espécies de gesso: o cinzento, utilizado em

processos de fundição, que é menos puro e mais barato que o branco utilizado para fazer moldes.

O gesso branco pode dividir-se em dois tipos consoante o processo de calcinação utilizado: o

α-hemihidratado (α-HH) e o β-hemihidratado (β-HH). O primeiro é obtido em autoclave sob

pressão (aproximadamente 8 bar) e a temperaturas na ordem dos 170ºC, enquanto que, o

segundo resulta da calcinação do gesso a cerca de 120ºC, à pressão atmosférica (Nunes 1999).

O resultado dos dois processos de calcinação confere propriedades físicas diferentes aos

hemihidratados α e β sem se observarem variações na composição química e mineralógica. A resistência mecânica e a resistência ao desgaste são superiores no α-HH, enquanto o β-HH apresenta

maior capacidade de absorção de água.

No processo inverso, nas mais diversas aplicações já referidas, uma vez feita a mistura de gesso

com água é gerada uma pasta que faz presa rapidamente devido à sua hidratação. Em poucos

minutos inicia-se uma reação química exotérmica que origina novamente sulfato de cálcio bi-

hidratado, conforme traduz a equação (2):

𝐶𝑎𝑆𝑂4 ∙1

2𝐻2𝑂 +

3

2𝐻2𝑂 → 𝐶𝑎𝑆𝑂4 ∙ 2𝐻2𝑂 + 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 (2)

Tabela 2 - Quantidade calor libertada durante o processo de reidratação (Caetano 2016)


11

O tempo de endurecimento, usualmente, anda na ordem dos 20 minutos. Contudo esse tempo

pode ser prolongado para várias horas com a adição de retardadores de presa à mistura, ou

reduzido (valores abaixo dos 3 minutos) na presença de aceleradores (Caetano 2016).

De acordo com a NP321 (IPQ 2012), os tempos de presa do gesso são determinados com base

num método calorimétrico baseado na evolução da temperatura da pasta de gesso após a sua

mistura com água. Alguns conceitos relacionados com a presa segundo a NP321 são:

i) Princípio de presa – Instante em que se inicia a subida de temperatura;

ii) Fim de presa – Instante em que a pasta de gesso atinge a temperatura máxima;

iii) Tempo de presa – Intervalo de tempo que decorre entre o início e o fim de presa.

O gesso hidratado, fruto da pasta de gesso, forma-se através da destruição da estrutura do gesso

hemihidratado dando-se o crescimento de cristais de hidratado de estrutura acicular e tamanho

bem maior do que os do hemihidratado. O crescimento dos cristais de sulfato de cálcio hidratado

torna a barbotina sucessivamente mais viscosa até endurecer completamente.

A Teoria de Le Chatelier, a primeira a explicar a presa do gesso, defende que esta se produz

devido à diferença de solubilidade entre os gessos hemihidratado (6 a 10 g/dm3) e hidratado (2

g/dm3). À medida que o gesso vai solidificando os cristais em forma de agulha cruzam-se em

todas as direções produzindo uma rede tridimensional que confere resistência mecânica às

moldações (Nunes 1999)

2.2.3 Microestrutura do gesso e ligações mecânicas

A formação dos cristais do gesso α hemihidratado evolui gradualmente originando uma estrutura

mais consistente e homogénea, com maior grau de interligação dos cristais. No caso do gesso β hemihidratado, os cristais desenvolvem-se mais rapidamente no começo da hidratação, originando

a formação de agulhas mais curtas e fraturadas, e assim uma estrutura empilhada e por isso menos

homogénea, conforme se pode verificar na Figura 6 (Caetano 2016).

Figura 6 - Microestrutura típica dos gessos α e β hemihidratados (Caetano 2016)

A resistência mecânica do gesso hidratado é proporcionada pelas forças de interação

intercristalinas, que se decompõem em duas forças: a força de “Van der Waals” e as Ligações

de Hidrogénio. Dado que as forças de “Van der Waals” são de natureza elétrica, acabam por

ser mais fracas do que as ligações de hidrogénio, uma vez que estas últimas têm alta constante

dielétrica proveniente da água presente na superfície dos cristais. Por isso, tudo leva a crer que

são as ligações de hidrogénio que garantem a junção dos cristais no contacto direto das suas

superfícies.


12

No entanto, para além destas forças de adesão do contacto direto, existe também a contribuição

de forças de adesão resultante de finíssimas camadas de água que se enclausuram entre as

superfícies dos cristais. Este fenómeno designado por água confinada (“confined water”),

contribui para a resistência mecânica do hidratado. A Figura 7 esquematiza de forma simples a

zona onde se situa a água confinada entre os cristais (Caetano 2016).

Figura 7 - Ilustração da zona de água confinada (Caetano 2016)

2.2.4 Viscosidade

Segundo a lei da viscosidade formulada por Isaac Newton a tensão externa de um fluido a que

este é submetido está diretamente relacionado com a sua viscosidade e taxa de deformação. Ou

seja, qualquer escoamento só é travado quando o líquido nele contido não tem capacidade de

se deformar ou encontra alguma barreira física. Esta propriedade está presente tanto nos

líquidos como nos gases, muito embora seja mais percetível nos líquidos.

𝐹𝑥 = 𝜇𝑑𝑣

𝑑𝑦 (3)

A reologia é o estudo da deformação e escoamento da matéria, que abrange o escoamento

plástico de sólidos e o escoamento de líquidos viscoelásticos (Infopédia 2003b). A

caracterização reológica dos fluidos determina assim a taxa de deformação do material com o

tempo. Segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), a viscosidade, que representa a taxa de

tensões de corte, tem como unidades Pa.s, o que pode ser facilmente observado pela análise

dimensional da equação (3), tendo em conta que a tensão de corte é expressa em Pascal (Pa) e a

taxa de deformação naturalmente em s-1.

Assim, quanto menor for a viscosidade de um fluido, menor será a tensão necessária para o

submeter a uma certa taxa de corte constante. Isto é verdade para a água, mas o mesmo não

acontece em materiais viscosos como resinas, mel ou o material em estudo (gesso antes de

presar) onde a tensão necessária para uma mesma taxa de corte será forçosamente superior.

De modo a tornar possível a realização de simulações de escoamento de pasta de gesso levadas

a cabo neste trabalho foi necessário realizar um estudo preliminar sobre a mecânica dos fluídos,

mais precisamente sobre fluídos não-newtonianos uma vez que a pasta de gesso tem um

comportamento pseudoplástico. Neste sentido, foram pesquisados e consultados um conjunto

de artigos científicos assim como docentes desta área no departamento de Engenharia Mecânica

da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto que vão ser referenciados

posteriormente.

Foi ainda necessário aceder a um conjunto de valores de viscosidades experimentais, de várias

formulações de gesso, medidas pelo aluno Daniel Esperança Caetano na sua tese de mestrado

tendo a mesma servido de base para a fase inicial da tese aqui apresentada de modo a dar

continuidade ao projeto onde as duas estão inseridas.


13

2.3 Fabrico Aditivo

Additive Manufacturing – AM é o termo inglês utilizado para descrever as tecnologias com as

quais se produzem objetos 3D (tridimensionais) através da adição de material camada-a-camada

(AMazing 2016). A lista de materiais utilizados em tecnologias de fabrico aditivo é muito

diversificada: começando pelos termoplásticos - que provavelmente são dos materiais cujas

tecnologias são amplamente mais conhecidas, passando pelas ligas metálicas, pelas argamassas

e outros materiais cerâmicos. No entanto esta lista tende a aumentar, estudos realizados

recentemente na Pohang University of Science and Technology (Kundu et al. 2015)

possibilitaram a obtenção de tecidos humanos recorrendo a AM e ainda na área do bioprinting

a organização MaRS Innovations afirmou ser possível imprimir folículos capilares (Caffrey e

Wohlers 2015).

De uma maneira geral todas as tecnologias AM requerem a utilização de computadores para a

modelação 3D da peça (CAD), elementos de controlo e matéria-prima apropriada. Uma vez

obtido o desenho CAD e devidamente convertido num ficheiro CAE, o equipamento AM lê a

informação e inicia a deposição do material, camada a camada, até que fique concluído o fabrico

do objeto 3D (AMazing 2016).

Numa fase inicial o fabrico aditivo era somente utilizado como Rapid Prototyping, isto é, para

pré-produção de modelos possibilitando o estudo e visualização na fase de desenvolvimento de

produtos. Muito embora, exista referência (Cawley 1999) de que, o conceito de obtenção de

objetos por camadas já seria utilizado em aplicações militares em 1915. Um relatório da

Gettysburg National Military Park Comission descreve a construção de um modelo de campo

de batalha à escala, que consistia num mapa topográfico de relevo, criado por diferentes

camadas de pranchas de madeira.

Com o desenvolvimento da tecnologia computacional, o estudo dos materiais e consequente

ampliação do conhecimento sobre o seu processamento foi possível conceber tecnologias de

fabrico aditivo capazes de fabricar produtos acabados ou semiacabados em várias indústrias, na

medicina e até na moda.

O termo AM engloba várias tecnologias e está associado a vários conceitos e terminologias,

entre as quais a Impressão 3D. Apesar de, por vezes, ser usado como sinónimo de Additive

Manufacturing, convenciona-se a utilização do termo 3D Printing para equipamentos desktop,

ou seja, principalmente para utilização doméstica e em pequenos escritórios ou ateliers tendo

em conta o seu baixo custo e/ou capacidade (ASTM 2012). Em engenharia, Additive

Manufacturing faz referência a tecnologias ou aplicações para a indústria que auxiliem na

produção de peças ou produtos.

A tendência no futuro é que as tecnologias de fabrico aditivo venham a ser cada vez mais

utilizadas, não só a nível doméstico e no sector industrial, mas também em aplicações na

medicina regenerativa. Algo que já é estudado na área da ortopedia, numa aplicação para o

tratamento de fraturas nos braços que recorre a tecnologia de impressão 3D (Kim e Jeong 2015).

Figura 8 - Aplicação para tratamento de fraturas com recurso a impressão 3D (Kim e Jeong 2015)


14

2.3.1 Processos de Fabrico Aditivo

A indústria de fabrico aditivo encontra-se atualmente em grande expansão. Com a expiração de

patentes que se tem verificado ultimamente as tenologias e produtos e têm-se tornado cada vez

mais acessíveis e económicos. Por esse motivo é visível o aumento explosivo de investimentos,

que levam à emergência de novas tecnologias, materiais e mercados capazes de cumprir os

requisitos de qualidade, preço e performance exigidos.

Apesar da queda em desuso da Vat photopolymerization, aquela que é considerada a tecnologia

“mãe” de todos os processos de FA, tem vindo a ser aposta de mercado de alguns fabricantes

devido à expiração de patentes de estereolitografia 3D. Alguns exemplos de tecnologias

emergentes são a printed electronics e a hybrid metal system e a HP Multi Jet Fusion. Esta

última, desenvolvida pela líder mundial de soluções de impressão Hewlett-Packard, é uma

tecnologia baseada em binder jetting cuja patente era detida pela Universidade do Texas

(Austin) até junho de 2014. Depois dessa data surgiram nos EUA, na Europa e na China mais

de 6 novos fabricantes e 12 novos equipamentos em apenas um ano refletindo o “boom” de

produtos de FA na atualidade. Contudo, as vantagens não se resumem só ao acesso à tecnologia,

mas, também ao seu aperfeiçoamento e inovação. Um exemplo disto é a solução da HP em que

se podem observar melhores resultados em menor tempo, sem recurso a fonte de energia laser

e fazendo variar as cores do material depositado – tornando-a assim uma tecnologia mais

eficiente e barata que a que esteve na sua origem (Caffrey e Wohlers 2015).

Figura 9 - Impressora HP com tecnologia Multi Jet Fusion apresentada em 2014 (Hewlett-Packard 2015).

No final do século XX, o conjunto das técnicas de processamento de materiais que recorriam a

tecnologia CAD e a máquinas automatizadas para produzir componentes tridimensionais (3D)

apelidavam-se de Solid Freeform Fabrication (SFF). Estas surgem graças aos avanços da

computação e da automação na altura. (Vaidyanathan et al. 2000; Cawley 1999).

Figura 10 - Classificação dos processos de SFF segundo o estado do material (Tay, Evans, e Edirisinghe 2003).

Solid Freeforming

Powder

Select. Laser Sintering

Direct Ink-Jet Printing

3D Printing

Liquid

Fused Deposition

(Extrusion Freeforming)

Multiplayer Polymerisation (Stereolithography)

Solid

Laminated Object Manufacturing


15

Mais recentemente, surgiu a norma americana F2792-12a da ASTM, que convencionou que os

processos AM estão divididos em 7 categorias, com o objetivo de diferenciar e agrupar as

tecnologias de fabrico aditivo atuais e futuras de forma clara (ASTM 2012):

Tabela 3 - Categorias de processos AM segundo a norma F2792-12a da ASTM

categoria Descrição dos processos contidos nas categorias:

binder jetting um agente ligante é depositado de forma a juntar partículas de

materiais em pó de forma conveniente.

directed energy

deposition

é utilizada energia térmica para fundir e unir materiais

simultaneamente à medida que são depositados.

material extrusion deposição de material realizada através de um bocal ou orifício.

material jetting processo AM que consiste na deposição de gotículas de material.

powder bed fusion recorre a energia térmica para fundir e ligar material em pó.

sheet lamination processo AM onde se unem folhas de material para obter objetos.

vat

photopolymerization

um foto-polímero líquido contido num recipiente é curado

seletivamente por polimerização com recurso à luz de um laser.

2.3.2 Obtenção de materiais cerâmicos através de processos AM

O processamento de materiais cerâmicos pode ser conseguido recorrendo diferentes

tecnologias, tais como: estereolitografia de suspensões cerâmicas, sinterização seletiva a laser

de recipientes com misturas de ligante / pó, impressão seletiva por jato de tinta, fabricação de

objetos laminados com recurso a fitas cerâmicas verdes e por fim, extrusão controlada por

computador com solidificação do filamento, promovida por arrefecimento, congelamento ou

secagem posterior do mesmo (Cawley 1999).

Usualmente, a produção de peças cerâmicas de precisão é feita com recurso a sistemas de

fotopolimerização (Lithoz® e 3DCeram®) ou a processos de binder jetting (ExOne®,

Voxeljet® e 3D Systems®) para usos mais correntes (Caffrey e Wohlers 2015). Contudo, os

primeiros registos de utilização das técnicas SFF, surgem nos finais da década de 90, em

processos como: 3-D Printing® do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Laminated Object

Manufacturing (LOM) da Lone Peak Engineering, Shape Deposition Manufacturing (SDM)

das universidades de Stanford e Carnegie Mellon e Fused Deposition of Ceramics (FDC) da

Universidade de Rutgers (Vaidyanathan et al. 2000).

A principal vantagem da aplicação das técnicas de SFF nos cerâmicos está na facilidade em se

conseguirem materializar formas mais arrojadas. Além do uso para a obtenção de peças esta

técnicas podem ser úteis para criação de amostras com vista ao estudo científico.

A Extrusion Freeforming (EFF) e a Fused Deposition of Ceramics (FDC) são técnicas de

extrusão (SFF) baseadas na tecnologia análoga para plásticos (FDM), capazes de fabricar

formas cerâmicas complexas com boas propriedades mecânicas, igual microestrutura e

apresentando boas tolerâncias geométricas. Outra das vantagens do processo EFF é que pode

ser aplicando utilizando softwares CAD standard tais como o SolidWorks ou o Surfcam para

desenhar os modelos (Vaidyanathan et al. 2000).


16

A deposição de pastas cerâmicas é algo que já tem vindo a ser estudado há algum tempo.

Também nos finais dos anos 90, uma equipa de investigadores dos laboratórios Sandia National

publicou vários artigos sobre técnicas de deposição de cerâmicos densos, para obtenção de

componentes de pequenas dimensões. A técnica designada por RoboCasting, consististe em

obter peças através da extrusão, camada-a-camada, de misturas de 50 a 65%Vol de pós (no caso

dos cerâmicos), até 1% de aditivos orgânicos e entre 35 a 50% de solvente (água normalmente)

(Cesarano, King, e Denham 1998). Esta técnica surge, uma vez mais, graças aos avanços do

controlo automatizado na época e procura dar resposta à necessidade de obtenção de cerâmicos

compactos de forma rápida. Os processos utilizados até então necessitavam de longos períodos

de secagem para prevenir fissurações, dadas as taxas de arrefecimento (0.2°C/min). Por sua

vez, o uso do Robocasting permite diminuir esse período de vários dias para algumas horas.

As secções e muros muito finos implicam elevada precisão, deste modo, a qualidade e

fiabilidade do processo depende de parâmetros como a taxa de deposição, taxa de secagem e

propriedades reológicas do material (Cesarano, Baer, e Calvert 1997).

Sobre este último, é indispensável que o material seja facilmente deformável enquanto está a

ser extrudido, mas que adquira características sólidas quanto depositado. Em Mecânica dos

Fluidos, estas características remetem à definição de fluido pseudoplástico. Este tipo de

comportamento explica como é assegurada a integridade estrutural das várias camadas

depositas, sem que escoem (Denham et al. 1998).

Contudo o Roboscating, como já referido, é um processo utilizado para a produção de peças de

pequeno calibre, o que não é objetivo do projeto onde este trabalho está inserido.

Figura 11 - Exemplo de reprodução de uma peça recorrendo ao Robocasting (Cesarano, Baer, e Calvert 1997).


17

2.3.3 Processos de FA de grandes dimensões aplicado em polímeros e metais

O Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) e a empresa fabricante de produtos

aeroespaciais Lockheed Martin desenvolveram em conjunto uma tecnologia chamada Big Area

Additive Manufacturin (BAAM). Esta tecnologia foi desenvolvida tendo em vista a adaptação

do fabrico aditivo, quer ao nível dos processos quer das dimensões, para a utilização em

componentes de grande envergadura como é o caso da maioria dos componentes estruturais dos

automóveis, aviões e das naves espaciais. A empresa de ferramentas Cincinnati Inc é a

fabricante e vendedora desta tecnologia que consiste num processo de extrusão de materiais até

um caudal de cerca de 16 Kg/h em volumes desde 2.4x2.4x2.4m, capaz de extrudir

termoplásticos e ABS reforçado com fibra de carbono e fibra de vidro. O sistema de alimentação

utiliza o mesmo tipo de matéria-prima que as máquinas de injeção de moldes (pellets).

Figura 12 - Réplica do modelo Shelby Cobra da Ford, obtido através do processo BAAM (Ponticel 2015)

O departamento de aviação da General Eletrics tem investido na construção de infraestruturas

para avaliar e implementar tecnologias de fabrico aditivo. Em 2015, a GE Aviation começou a

construção de uma fábrica no valor de 50 milhões de dólares tendo em vista a produção de cerca

de 40 mil pistolas de abastecimento de combustível por ano com recurso a tecnologias de

fabrico aditivo para metais. Ainda anunciou a edificação de um centro de desenvolvimento de

tecnologias de Fabrico Aditivo de 140 milhões de dólares.

Também a Rolls-Royce e a Airbus têm criado infraestruturas com as suas corporações com

vista a implementar tecnologias de Fabrico Aditivo. “The Sky is the limit for AM in aerospace, where the attributes of near-free complexity, near-net-shape production, and low piece-part volumes

are a perfect fit.” Uma complexa estrutura de metal utilizada como suporte de cabine foi pela

primeira vez utilizada num voo em junho de 2014 de um Airbus A350 foi topologicamente

otimizada e posteriormente obtida através de fabrico aditivo. Os métodos utilizados para a

reconfiguração e design da companhia responsável (LZN), por vezes, conseguem reduções de

peso que ultrapassam os 50%, o que é essencial no sector da aviação (Caffrey e Wohlers 2015).

Figura 13 – a) Motor Rolls-Royce Trent XWB-97 que contém uma peça de Titânio com 1,5m de diâmetro obtida

através de tecnologia de fabrico aditivo (QCS 2015) e b) componente estrutural do Airbus A350 que “voou” a

primeira vez em junho de 2014 (Holly B. 2016)

a) b)


18

2.3.4 Processos de extrusão de argamassas de grandes dimensões

Dentro dos processos de fabrico aditivo de extrusão de grandes volumes destaca-se o processo

Contour Crafting, desenvolvido e patenteado pela Universidade da Califórnia do Sul. Esta

tecnologia recorre às capacidades de controlo computacionais para produzir peças de material

extrudido com faces planas recorrendo a espátulas (Kwon et al. 2002).

Comparado com outros processos de FA, o CC destaca-se pela obtenção de superfícies suaves

e precisas, pela velocidade do processo e pela vasta gama de materiais utilizados: desde os

termoplásticos passando pelos materiais de construção, onde capta algum interesse, e ainda

alguns materiais cerâmicos. Outra vantagem associada ao CC reside na inexistência de limites

dimensionais, o que promove o aparecimento de soluções conceptuais em aplicações de grande

escala, como é exemplo a da Figura 14 a), onde se ilustra a “impressão 3D” de uma casa. Mas

conforme se pode ver na Figura 14b) e Figura 15 graças a tecnologias assentes no princípio de

funcionamento do CC, foi já construída uma casa (em apenas 45 dias) no distrito chinês de

Tongzhou, perto de Pequim e uma suite de luxo no Lewis Grand Hotel situado nas Filipinas.

Figura 14 – a) Conceito de impressão e b) casa obtida com base na tecnologia CC (CHINADAILY 2016)

Figura 15 - Construção de suite de luxo no Hotel Lewis Grand, recorrendo a tecnologia 3D (Rudenko 2015).

Contudo, é visível um acabamento superficial descuidado nos processos de edificação

utilizados nos exemplos das figuras acima. Isto implica trabalho adicional de remoção de

material até chegar a um resultando semelhante ao do lado direito da Figura 15. No entanto,

dada a qualidade superficial exigida nas indústrias de moldação, será sempre necessário recorrer

a processos de maquinagem, o que irá eliminar as saliências provenientes do processo aditivo.

É neste tipo de soluções que se enquadra o projeto ADIMAQ no qual esta tese está inserida.

Por outro lado, no ramo da construção civil, em que a precisão dimensional é grosseira, a

possibilidade de uma “impressão” de superfícies planas suaves parece mais útil. É aqui que o

processo CC através da combinação de diferentes espátulas e bicos extrusores consegue

resultados mais satisfatórios.

a) b)


19

Uma das características que ajuda o bom acabamento superficial das paredes das peças através

deste processo é a existência de uma espátula lateral que ajuda a acondicionar o material, com

a vantagem de, conforme será descrito adiante, se poder fazer variar a sua inclinação de forma

controlada através de um mecanismo de posicionamento (Khoshnevis et al. 2001).

Figura 16 -Cabeça Extrusora CC com espátula de topo e lateral regulável (Khoshnevis et al. 2001)

Por forma a se poder tirar conclusões sobre o conceito, foi desenvolvida a máquina ilustrada na

Figura 17, para aplicação em materiais cerâmicos como a argila e o barro. Como se pode

observar, esta, suporta um cilindro vertical onde está contido o material a extrudir com recurso

a um êmbolo (sistema tipo seringa) e uma plataforma giratória na qual o material é depositado.

Além do movimento vertical induzido à cabeça de extrusão, esta também se pode movimentar

longitudinal e latitudinalmente, originando um sistema de 3 eixos lineares coordenados.

Figura 17 - a) Máquina originalmente desenvolvida para avaliação do conceito, b) Máquina após alterações que

permitiram a produção de peças concavas e convexas (Figura c) (Khoshnevis et al. 2001)

Porém, para grandes dimensões não é possível assegurar a rotação da mesa, pelo que esse

movimento, numa fase de otimização (Figura 17b), foi transferido na cabeça de extrusão e ainda

adicionado um servomecanismo, que permite regular a inclinação da espátula lateral. Com a

adição do grau de liberdade rotacional e do mecanismo de regulação da espátula tornou-se

possível a exploração de geometrias mais complexas, possibilitando a criação de peças

côncavas, convexas e portadoras de cantos, conforme ilustrado nas imagens que se seguem.

Figura 18 - Imagens da cabeça extrusora após processo de otimização, e peças por ela obtidas (Khoshnevis 2004)

a) b) c)


20

O CC pode ser visto como chave para a produção de forma rápida, de modelos para moldes de

fundição de grandes dimensões, nomeadamente na área náutica e aeroespacial. Uma lâmina de

uma turbina, por exemplo, que envolva dimensões de 8x8x5 polegadas pode ser produzida em

menos de 30 minutos, em vez das 7 horas que demora através de FDM (Kwon et al. 2002).

A introdução de movimentos numa máquina deste tipo promove uma maior liberdade para

criação de formas. Assim, poderá ter interesse adicionar movimentos de rotação da cabeça nos

restantes eixos coordenados no ramo da construção cívil, de forma a também se conseguirem

construir telhados de casas através desta tecnologia baseada em métodos de construção

ancestrais, utilizando apenas tijolos e substrato.

Figura 19 – Conceito de construção de telhados baseado em métodos ancestrais (à direita) (Khoshnevis 2004)

Esta tecnologia tem servido de inspiração no desenvolvimento e melhoramento de outros

sistemas como é o caso do projeto apresentado na 10th International DAAAM Baltic

Conference, por um grupo de investigadores finlandeses, que implementaram um sistema de

contorno numa impressora 3D de cimento (Nylund et al. 2015). O objetivo deste trabalho

passava por melhorar a qualidade superficial e dar liberdade de forma na produção de peças, e

introduzir ainda a possibilidade de produzir paredes inclinadas. A diferença de resultados obtida

é percetível quando comparados dois pedaços de dimensões semelhantes extrudidos com o

equipamento original e adaptado com o sistema CC.

Figura 20 – Sistema de deposição de cimento com sistema de melhoramento do contorno (Nylund et al. 2015).


21

2.3.5 Propriedades mecânicas

Ao nível conceptual não restam dúvidas que existe uma vasta oferta de soluções materializáveis.

O passo seguinte é compreender se o mesmo é verdade ao nível funcional. Serão as

propriedades mecânicas das peças produzidas, suficientemente boas para o papel que

desempenham? O desenvolvimento de uma impressora 3D de materiais compósitos na

Universidade de Kentucky do Norte poderá ajudar a responder a dúvidas como esta. Assente

no princípio de criação de estruturas robustas e inspiradas na natureza, o fabrico de peças

compósitas com recurso a impressoras 3D tem revelado dados satisfatórios.

Figura 21 - Curva Força-Deslocamento de pasta com

e sem reforço de fibra de carbono. (Allameh 2015)

Figura 22 - Efeito do reforço da fibra de carbono na

curva de Carga-Deslocamento (Allameh 2015)

Saliente-se que quando se usa a denominação de compósitos, geralmente, o termo remete a

peças poliméricas reforçadas com fibras. No entanto, no caso particular do estudo acima

referido é colocada a hipótese de combinar materiais cerâmicos com polímeros, colmatando,

por exemplo, a sua falta de rigidez. Ainda no mesmo estudo, é referido o papel decisivo que as

técnicas de deposição nos cerâmicos podem ter nas propriedades conferidas às peças, e que,

portanto, devem ser estudados os métodos e condições de deposição, tais como caudais e

orientações do escoamento.

Figura 23 - Cabeças de deposição de polímeros, gesso e cimento, pela ordem respetiva (Allameh 2015).

No caso da deposição de materias cerâmicos, por exemplo, é utilizado um componente idêntico

a um “balão” para empurrar o cimento ou o barro através do orífico, no fundo da cabeça

extrusora. Inicialmente vazio, o “balão” vai sendo enchido de água, de forma controlada através

de uma válvula solenóide, até esgotar o material presente na cabeça (Allameh 2015).


22

2.3.6 Aplicações espaciais

No âmbito da indústria aeroespacial, foi desenvolvido um equipamento de extrusão de material

capaz de operar em baixa gravidade ou até mesmo em gravidade nula que foi posteriormente

instalado na Estação Espacial Internacional, em 2014.

Tudo parece indicar que estes equipamentos continuem a ser utilizados para produzir de forma

rápida e fácil componentes no espaço por ser mais fácil do que enviar os produtos já fabricados

permitindo evitar problemas na acomodação e transporte. (Caffrey e Wohlers 2015).

Figura 24 - Conceito de equipamento para construção na Lua com base na tecnologia CC (Rosenfield 2014).

A tecnologia CC, por exemplo, é vista como solução para a construção de habitats na Lua e em

Marte. Isto a propósito do crescente interesse que se tem verificado nos últimos anos em utilizar

esses locais como plataformas para geração de energia solar, centros de ciência e investigação,

auxilio na exploração do Sistema Solar e futura colonização humana. A lua, em particular, tem

sido sugerida como o local ideal para a geração de energia solar e posterior transmissão através

de micro-ondas para a Terra com recurso a satélites. (Khoshnevis 2004).

2.3.7 Aplicações domésticas

Se na indústria as tecnologias de fabrico aditivo são bastante apelativas, também se podem

revelar bastante úteis nas nossas casas. Com cada vez mais oferta de softwares de modelação

3D gratuitos e de utilização fácil e intuitiva, a criação de brinquedos, objetos de decoração,

bijuteria, maquetes e até ferramentas de uso limitado ou pequenas peças é exequível.

Figura 25 - Impressora 3D da empresa portuguesa Bee Very Creative (BEEVERYCreative 2014).


23

2.4 Equipamentos Híbridos

No final de 2011, a empresa japonesa Matsuura apresentou peças de metal produzidas numa

máquina que recorria à tecnologia de powder bed fusion para o levantamento da peça,

intercalada com maquinagem CNC periódica para produzir zonas detalhadas e precisas. Dois

anos mais tarde a Hybrid Manufacturing Technologies apresenta a ferramenta inovadora

AMBIT. Uma ferramenta capaz de se adaptar facilmente a qualquer centro de maquinagem

CNC e o possibilitar a deposição de metal, com recurso a pós metálicos e fontes laser.

Apesar de remeter ao nome da empresa que desenvolveu a AMBIT, é comum utilizar-se a

designação de equipamento/processo híbrido quando são combinadas as tecnologias de fabrico

aditivo e de fabrico subtrativo.

Figura 26 - Ferramenta AMBIT desenvolvida pela Hybrid Manufacturing Technologies (HMT 2013)

O conceito de equipamento híbrido depressa foi adotado por outros fabricantes, caso da DMG

Mori Seiki que apresentou a sua máquina híbrida Lasertec 65 na EuroMold 2013. Desde então,

vários foram os fabricantes a anunciar projetos de equipamentos de fabrico aditivo híbrido

sendo a Mazak, Fonon Technologies, Sodick, Hurco e Hermle alguns dos primeiros a

demonstrar interesse (Caffrey e Wohlers 2015).

Figura 27 – Máquinas híbridas Lasertec 65 da DMG (DMG 2016) e Lumex Avance-25 (MC 2016) da Matsuura.

O trabalho aqui apresentado pretende utilizar a extrusão de pastas como método de fabrico

aditivo. Uma vez que no mercado atual não é conhecido nenhum equipamento híbrido para

processamento de materiais cerâmicos, será necessária a implementação de um período de

secagem, prevendo-se que o processo de remoção de material seja completamente realizado

após o processo aditivo. Ao passo que, no caso dos equipamentos utilizados nos metais é

possível a intercalação dos dois processos.


24

2.5 Sistemas de Mistura

Qualquer processo de extrusão de pastas cerâmicas requer uma mistura homogénea prévia dos

diferentes constituintes da formulação. Os sistemas utilizados para este fim podem ser mais ou

menos elaborados dependendo das necessidades.

No caso das pastas de gesso, à semelhança do que acontece em aplicações do ramo da

construção civil, o tipo de solução mais utilizada consiste em efetuar a mistura do gesso em pó

e aditivos sólidos, se for o caso, com água num recipiente com recurso a misturadoras idênticas

às representadas na Figura 28. Conforme pode ser consultado no catálogo do fabricante

(UNITEC 2016), de forma a garantir uma boa mistura, a geometria das hélices e a potência da

misturadora variam conforme o volume em causa.

Figura 28 - Sistemas de mistura manuais da Unitec - (UNITEC 2016)

Apesar de se conseguirem produzir misturas uniformes, existe um grande entrave, sobretudo na

extrusão de peças de grandes dimensões. Sempre que acaba o material na máquina extrusora é

necessário preparar uma nova mistura. Uma vez que peças de grandes dimensões implicam

grandes volumes de material, irão existir vários e longos períodos de paragem para preparação

e transbordo de mistura para o depósito da cabeça de extrusão.

2.5.1 Sistemas de mistura Contínuos

Atualmente encontram-se já disponíveis no mercado alguns sistemas de mistura contínuos,

alguns dos quais baseados em máquinas como as descritas anteriormente, mas com um furo no

fundo dos reservatórios de mistura e sistema de bombagem para escoar o material, outros com

elementos de mistura e extrusão agregados e outros sistemas mais elaborados, concebidos para

necessidades especiais. Em comum têm a possibilidade de serem alimentados, realizarem os

doseamentos e mistura dos diferentes materiais e as disponibilizarem sem efetuar paragens.

Os sistemas de mistura da fabricante chinesa Wuxi têm um princípio de funcionamento

semelhante ao das máquinas de mistura já referidas. A mistura é feita num reservatório fechado

com recurso a hélices de geometria variável, no entanto, existem tanques que canalizam a

matéria-prima até ao reservatório de mistura, e na sua parte inferior existe uma válvula por onde

sai o material. O reservatório de mistura pode ter uma capacidade que varia entre os 5 e os 650

litros. Este equipamento é ainda portador de um sistema de criação de vácuo para aumentar a

eficiência da mistura, eliminando bolhas de ar.


25

Figura 29 - Sistemas de mistura contínua da Wuxi (Wuxi 2016)

Outro tipo de conceito é o apresentado pelo fabricante S.F. Engineering Works na máquina

extrusora/misturadora Sigma Mixer indicada para materiais viscosos. Numa zona mais

volumosa do depósito é realizada a mistura com recurso a duas hélices em “Z” de eixos

paralelos e no fundo do reservatório existe um fuso que roda, de forma independente,

canalizando a mistura para o exterior da máquina. O reservatório onde é feita a mistura pode

variar entre os 30 e os 300 litros.

Figura 30 - Extrusora/Misturadora Sigma Mixer da S.F. Engineering Works (SF 2008)

Como último exemplo, são ilustradas as misturadoras verticais Schugi® Flexomix da empresa

inglesa Hosokawa Micron. Estas máquinas, apesar de terem um princípio de funcionamento

idêntico ao do primeiro exemplo de misturadores contínuos, têm a particularidade de serem

especialmente concebidas para efetuar misturas de líquidos e pós densos.

As diferentes máquinas existentes são portadoras de hélices com desenhos estudados para

melhor se adequarem às diferentes misturas para cada aplicação. É possível selecionar uma

máquina entre 6 tamanhos disponíveis e com capacidades variáveis.

Figura 31 - Equipamentos de mistura Schugi® Flexomix da empresa Hosokawa Micron (HOSOKAWA 2008)


26

2.6 Sistemas de Bombagem

Na escolha de uma bomba para determinada aplicação é de suma importância considerar-se os

meios a serem bombeados. Por exemplo, fluídos com baixa viscosidade podem ser bombeados

por bombas pequenas em alta rotação enquanto que, fluídos altamente viscosos ou com alta

percentagem de abrasivos exigem bombas maiores e rotações mais baixas.

2.6.1 Bombas de cavidade progressiva

As bombas de cavidade progressiva são aplicadas em diversas indústrias: petrolífera, química

e petroquímica, vinícola, de frutas e conservas, gelatinas, saboarias, curtumes, agricultura,

pecuária entre outras. Este tipo de bombas é ideal para bombeamento de fluidos de elevada

viscosidade, não-newtonianos pseudoplásticos e fluídos abrasivos, com conteúdos sólidos

altamente fibrosos ou grande quantidade de sólidos suspensos (Weatherford 2008).

O seu princípio de funcionamento consiste em fazer rodar um fuso helicoidal dentro de uma

cavidade polimérica roscada. À medida que o parafuso vai rodando é criado um efeito de sucção

que promove o escoamento do material até à saída da bomba. A cavidade pode ser rígida ou

flexível sendo que no primeiro caso o fuso roda com uma determinada excentricidade e no

segundo, a cavidade (normalmente feita em borracha) é continuamente deformada.

As principais vantagens desta solução é a sua resistência à abrasão e corrosão, a emissão de

baixos níveis de ruído e, por fim, o baixo consumo de energia.

Figura 32 - Bomba de cavidade progressiva com estator deformável (TecamySer 2016).

2.6.2 Bombas Peristálticas

Este tipo de bombas são uma solução tipicamente utilizada no tratamento de águas,

processamento de minerais, barbotinas cerâmicas (enchimento de moldes), na indústria

química, alimentar e de papel e ainda na agricultura. Todas estas aplicações remetem para o

processamento de materiais com elevados valores de viscosidade.

O seu princípio de funcionamento assenta na rotação de um conjunto de sapatas, normalmente

duas ou três, numa roda rotativa que, por sua vez, comprime sucessivamente uma mangueira

de borracha reforçada onde está o líquido a ser bombeado. A compressão exercida pelas sapatas

rotativas na mangueira cria uma sucção contínua à entrada da bomba, impulsionando o líquido

para a saída da bomba (pump 2015).


27

Segundo o fabricante Albin Pump, o modelo ALH, entre outras aplicações é indicado para

processamento de argamassas fibrosas, estuque, betão leve, e cimento para pisos.

Figura 33 - Bomba peristáltica ALH da Albin Pump (pump 2016)

2.6.3 Bombas de Parafuso – tipo Arquimedes

Uma bomba de parafuso é um equipamento que permite transferir um fluido entre dois pontos

com elevações diferentes. Muitas vezes é utilizada a designação de parafuso de

Arquimedes para se referir a este tipo de bombas porque se acredita que Arquimedes terá sido

o primeiro a materializar um equipamento deste género (Wiener 2007).

Tal como o nome indicada, esta bomba é constituída por um parafuso colocado dentro de um

tubo cilíndrico oco e à medida que o veio roda, um determinado volume de material é arrastado,

deslizando ao longo do espaço vazio entre o parafuso e o cilindro, até à saída da bomba

(Babcock 2015).

À semelhança dos outros dois tipos de bombas referidos, as aplicações das bombas de parafuso

incidem no processamento de lamas, betão e outros materiais viscosos e por isso, são

amplamente utilizadas em sistemas de esgoto e tratamento de água.

Figura 34 – a) Imagem ilustrativa do sistema de parafuso desenvolvido por Arquimedes de Siracusa

(Wiener 2007), b) Bomba de parafuso utilizada na transferência de água (Babcock 2015).

a) b)


28


29

3. Projeto ADIMAQ

O principal objetivo do projeto ADIMAQ consiste no desenvolvimento de um equipamento

híbrido que, ao combinar as tecnologias de fabrico aditivo (FA) por extrusão/deposição e

fabrico subtrativo (FS) por maquinagem, seja capaz de fabricar meios de produção (moldes,

moldações e ferramentas) e modelos em diferentes materiais com vantagens acrescidas de

custos, na utilização de matérias-primas e na exploração de geometrias (INEGI 2015).

Desta forma, os materiais alvo de estudo deste projeto correspondem às matérias-primas mais

utilizadas em moldes/moldações ou modelos nas indústrias cerâmicas de fundição e de

compósitos, nomeadamente gesso e/ou gesso aditivado, areia de sílica ligada e resina

termoendurecível. Para garantir o sucesso do projeto, é necessário compreender o

processamento destes materiais e quais os métodos de fabrico existentes e é por esse motivo

que inicialmente se realizou uma pesquisa exaustiva sobre o estado da arte e as ofertas de

mercado (secção 2.3).

Esta investigação rigorosa do estado da arte permitiu avaliar o avanço científico e tecnológico

do projeto ADIMAQ e classificá-lo como internacionalmente inovador. Este projeto potencia

a obtenção de um novo equipamento, único, mas de aplicação multissetorial, com vista ao

aumento da eficiência e modernização dos processos de fabrico convencionas.

Areia

Relativamente à utilização da areia, atualmente não é conhecido nenhum processo/equipamento

de fabrico aditivo de areia que utilize como princípio base a técnica de deposição de material.

Em termos de maquinagem de areia, após uma pesquisa na literatura por parte do INEGI,

verificou-se que são escassas e pouco flexíveis as ofertas comerciais existentes em contexto

internacional orientadas para este material (areia de sílica ligada).

Resinas Termoendurecíveis

Na produção de componentes em material compósito são normalmente utilizados moldes em:

i) polímeros reforçados com fibras de vidro ou fibra de carbono; ii) metais; iii) resinas

termoendurecíveis. A alternativa iii) é a mais utilizada em produções unitárias e/ou pequenas

séries, bem como na etapa de desenvolvimento de produto (fabrico de protótipos). A produção

de moldes de grandes dimensões em resinas termoendurecíveis é feita vulgarmente por

maquinagem, mas pode também ser realizada por fabrico aditivo. Apesar de ser relativamente

fácil encontrar equipamentos de fabrico aditivo de resinas termoendurecíveis, a maioria destes

equipamentos apresenta limitações ao nível das dimensões. Quanto à maquinagem, também é

um domínio que está consideravelmente estudado e para o qual se comercializam soluções.

Cerâmicas

No que diz respeito à utilização de gesso para a produção de moldes, conhecem-se apenas

equipamentos com base em técnicas de binder jetting ou fotopolimerização, utilizadas em

aplicações dentárias, ou seja, de pequenas dimensões. Tanto quanto se pode apurar não existe

nenhum equipamento de deposição especialmente concebido para extrudir gesso.


30

3.1 Fabrico Aditivo com pastas de Gesso

Como já foi referido nos capítulos introdutórios, são cada vez mais o número de especificações

dos produtos em séries cada vez mais curtas. Os processos de fabrico aditivo procuram dar

resposta a essas necessidades através da obtenção de geometrias complexas sem comprometer

o custo e o tempo de produção.

Nas indústrias cerâmicas, de fundição e de compósitos é comum recorrerem-se a meios de

produção, como moldes e/ou modelos, maquinados em resinas. Portanto, torna-se também

importante a exploração de novos materiais, que possam desempenhar as mesmas funções, com

custos inferiores, como é o caso do gesso – objeto de estudo nesta tese.

3.1.1 Aplicações

O fabrico aditivo com pastas de gesso é visto como uma alternativa à utilização de resinas

termoendurecíveis na produção de moldes/moldações nas indústrias de compósitos, dada a

diferença acentuada de custos. O custo de fabrico atual é bastante elevado devido ao preço das

resinas utilizadas (15 a 20 €/kg) e ao grande desperdício de matéria-prima durante a

maquinagem.

Na fundição em areia, o fabrico de moldes em gesso pode ser interessante para produção de

séries pequenas ou unitárias, com a desvantagem de se desgastar mais rapidamente que um

molde em alumínio ou resina termoendurecível. No entanto, irá compensar face ao custo dos

moldes metálicos normalmente utilizados na produção de séries elevadas.

Na indústria cerâmica, a produção de moldes em gesso não é novidade apesar dos métodos

atuais não permitirem grande liberdade de obtenção de geometria.

Posto isto, torna-se aliciante colocar como hipótese a obtenção de meios de produção para as

indústrias acima referidas, através da extrusão de pastas de gesso. Por um lado, por ser um

processo de fabrico aditivo com diversas vantagens (abaixo enunciadas) e por outro, por ser um

material com propriedades interessantes a um custo muito apelativo (até 0,50€/kg).

3.1.2 Vantagens / Desvantagens

As principais vantagens de obter peças através da extrusão de gesso são a capacidade de

resposta às solicitações de mercado, especialmente em pequenas séries e grandes componentes,

a liberdade para explorar geometrias, o baixo custo do material e os consumos de energia

reduzidos quando comparados com outros processos de obtenção de moldes ou moldações,

como a fundição seguida de maquinagem.

As desvantagens da utilização de formulações de gesso prendem-se com a eventual existência

de porosidades nas peças extrudidas e com as suas propriedades mecânicas. A existência de

porosidades no interior da peça pode dar origem a pequenas cavidades nas superfícies depois

de maquinadas, algo que é indesejado na obtenção de moldes ou moldações.

Quanto às propriedades mecânicas, os fatores mais preocupantes são a resistência ao desgaste

durante as diversas utilizações e a fragilidade da peça.


31

3.2 Ensaios realizados

3.2.1 Equipamento de testes – extrusora de êmbolo

Numa fase inicial do projeto foi adquirido um equipamento, utilizado na indústria de

processamento de carnes, com a intenção de se realizarem testes de deposição de pastas.

O princípio de funcionamento do equipamento em causa consiste na extrusão do material

colocado no seu reservatório, através de um orifício, recorrendo a um êmbolo acionado por um

sistema de roda cremalheira que, por sua vez, está ligado a um motoredutor.

Para que fosse possível depositar as pastas ao longo de um determinado contorno para a

produção de peças de teste, o equipamento foi colocado num sistema equipado com uma base

capaz de se mover longitudinal e transversalmente de forma manual.

Os testes realizados tiveram como objetivo estabelecer estratégias, que pudessem ser

posteriormente aplicadas ao equipamento a ser desenvolvido neste projeto, tais como:

Estabelecer metodologias de deposição que minimizem a presença de vazios;

Definir estratégias de construção de camadas (e.g., em cada camada depositar em

primeiro lugar os contornos da peça e posteriormente proceder ao preenchimento dos

espaços internos ao contorno);

Estudar a relação entre as dimensões de cada deposição da mesma camada e o diâmetro

da fieira de extrusão bem como o caudal de material a ser extrudido (o que condiciona

o diâmetro dos cordões depositados e consequentemente a distância mínima entre

cordões da mesma camada).

A título exemplificativo, na Figura 35 são demonstrados os resultados das deposições efetuadas

com o equipamento. A peça obtida do lado esquerdo foi depositada livremente enquanto que,

na peça do lado direito, foi sendo calcada com o bico de extrusão à medida que ia sendo

depositada (INEGI 2016).

Figura 35 - Placas extrudidas manualmente sem e com processo de calcamento


32

Entretanto, no decorrer do projeto, foi possível colocar o equipamento no sistema laboratorial

físico e realizar ensaios de deposição de forma totalmente automatizada.

Para estimar quais as velocidades de avanço adequadas a induzir no sistema, foram realizados

cálculos breves para obter a velocidade de saída no orifício de extrusão. Se a velocidade de

avanço do sistema for superior à velocidade de extrusão serão produzidos cordões finos e se,

pelo contrário, a velocidade de avanço for inferior, então irão resultar cordões volumosos.

Para que fosse possível determinar a velocidade de avanço do êmbolo foi necessário, primeiro,

conhecer a distância percorrida pela cremalheira em cada rotação do pinhão, através da seguinte

relação:

𝑒 = 𝜋 × 𝑑0,𝑝𝑖𝑛ℎã𝑜 , 𝑐𝑜𝑚 𝑒 = 𝑒𝑠𝑝𝑎ç𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑟𝑜𝑡𝑎çã𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑖𝑛ℎã𝑜

Roda-Cremalheira

nº dentes pinhão Z1 10 nº dentes cremalheira Z2 70

ângulo de pressão real α0 [°] 20 ângulo de inclinação primitiva β0 [°] 0

módulo normal mn [mm] 2,00

diâmetro primitivo do pinhão d0,pinhão [mm] 20,00 raio de cabeça do pinhão ra1 22,00 raio de base do pinhão rb1 18,79 raio de pé do pinhão 17,50

espaço percorrido numa rotação e [mm] 62,83

Obtido este valor e sabendo qual a velocidade de rotação induzida no motor, é possível

determinar qual a velocidade de avanço da cremalheira/êmbolo:

𝑣ê𝑚𝑏𝑜𝑙𝑜 = 𝑒 ×𝑛𝑟𝑒𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟60

(4)

Se considerarmos a utilização do motor a 50Hz, a velocidade de rotação do motor é de 1 335

r.p.m. originando uma velocidade de rotação do pinhão de 3.34 r.p.m., que origina uma

velocidade de 3.50 mm/s na cremalheira.

Motor Redutor acoplado

ao motor Redutor interno

(da máquina) Roda-Cremalheira

P Nominal 114 W

Torque 0,81 N.m 26,0 N.m 101,9 N.m 9,99 N

Velocidade 1 335 r.p.m 13,35 r.pm 3,34 r.p.m 3,50 mm/s

Por fim, recorrendo ao princípio de conservação da massa, pode ser calculado o valor da

velocidade de extrusão através da área da secção do bico de extrusão utilizado e da área da

secção do êmbolo (138,93 cm2):

�̇�1 = �̇�2 ↔ 𝜌1 ∙ 𝑄1 = 𝜌2 ∙ 𝑄2 , 𝜌1 = 𝜌2 = 𝜌 (5)

𝜌 ∙ 𝑣1 ∙ 𝐴1 = 𝜌 ∙ 𝑣2 ∙ 𝐴2 ↔ 𝑣1 ∙ 𝐴1 = 𝑣2 ∙ 𝐴2 ↔ 𝑣2 =𝑣1∙𝐴1

𝐴2 (6)


33

Tabela 4 - Área de secção do êmbolo e dos bicos de extrusão

êmbolo bicos de extrusão

Ø [mm] 133 4 - 30

A [cm2] 138,93 0,13 – 7,07

Na Tabela 5 podemos observar os valores da velocidade de extrusão estimados para a utilização

de bicos de extrusão com diferentes áreas de secção e a mesma velocidade de rotação do motor

(1 335 r.p.m.) que promove um caudal de 4.86 L/min.

Tabela 5 - Velocidade de deposição em função do bico de extrusão utilizado.

Ø [mm] A [cm2] v [mm/s] Q [L/min]

4,0 0,13 3863,97

4,86

8,00 0,50 965,99

16,00 2,01 241,50

24,00 4,52 107,33

30,00 7,07 68,69

Conforme se pode verificar, à medida que se diminui a secção do bico, a velocidade de extrusão

aumenta. Tendo em conta que não são concebíveis valores de velocidade superiores a 25-30 cm

por segundo, prevê-se que será necessário reduzir a velocidade do motor. Esta redução da

velocidade pode ser obtida com recurso a um variador de frequência, quando for necessário

obter cordões mais finos.

Figura 36 - Equipamento de extrusão montado no protótipo.


34

Na Figura 37 ilustram-se duas peças obtidas no equipamento automatizado. Uma vez mais, foi

testada a deposição livre (à esquerda) e com calcamento da pasta (à direita).

Figura 37 – Peças obtidas com recurso à máquina, de forma totalmente automatizada.

Entre outros fatores de deposição, tais como a orientação dos cordões nas diferentes camadas,

foi também testada a deposição de peças com recurso a calcamento para averiguar se a

porosidade no seu interior era eliminada ou pelo menos reduzida. Conforme se pode observar

na Figura 38, na peça que foi calcada verificam-se menor quantidade de poros do que na peça

depositada livremente.

Figura 38 – Imagens de peças cortadas: peça depositada livremente (à esquerda) e calcada (à direita).

Sendo foco deste projeto as tecnologias híbridas, após o processo aditivo, foram também

realizados processos de remoção de material por maquinagem. A Figura 39 ilustra uma peça

depositada e outra meia maquinada depois de depositada com uma pré-forma.

Figura 39 - Comparação entre peça depositada antes e depois de maquinar.


35

3.2.2 Máquina Turbosol-Giotto

A primeira solução que será apresentada nesta dissertação passa, não pelo desenvolvimento,

mas pela adaptação de um sistema de mistura e bombeamento de materiais de estuque já

existente no mercado e que tem sido utilizado em grande escala na indústria da construção civil.

Com este fim, foi adquirida, pelo INEGI, uma máquina de estuque GIOTTO para dosagem,

mistura, bombeamento e projeção de gessos e argamassas sobre paredes e tetos do fabricante

italiano TURBOSOL, ilustrada na Figura 40.

Figura 40 - Máquina de Estuque trifásica GIOTTO, da TURBOSOL (TURBOSOL 2016).

A possibilidade de uso desta solução deve-se, sobretudo, ao facto do conceito e princípio de

funcionamento do referido equipamento ser utilizado, já há várias décadas, no âmbito das suas

aplicações e apresentar resultados satisfatórios e com fiabilidade. No entanto, é de realçar que

a máquina original, conforme adquirida, não está preparada para ser utilizada nas aplicações

aqui pretendidas pelo que é necessária uma alteração ao nível construtivo, de modo a que sejam

cumpridos os requisitos e especificações exigidas (secção 4.1 e 4.2).

Ainda assim, de forma a perceber a eficiência do sistema foram realizados ensaios de extrusão

de pastas de gesso recorrendo à configuração original da máquina.

Antes da realização desta dissertação já tinham sido realizados alguns ensaios que não

obtiveram o sucesso desejado. A razão é não terem sido utilizados aditivos retardadores e,

portanto, ter ocorrido uma presa rápida da mistura ainda dentro do sistema, provocando a

danificação das mangueiras.

Por este motivo, foram posteriormente estudadas novas formulações de gesso que garantissem

um tempo de presa suficientemente elevado, para utilizar o equipamento sem restrições. No

decorrer desta dissertação foram realizados novos ensaios com essas formulações.

Visto que o equipamento adquirido foi projetado para operar a caudais superiores aos

pretendidos, o objetivo principal dos novos ensaios era testar até que valor seria possível reduzir

o caudal de entrada de água assegurando a mistura e extrusão das pastas.


36

Com o objetivo de averiguar a capacidade de extrusão do equipamento, foram depositadas para

cinco recipientes pastas da mesma formulação de gesso (Sival 60+7%PVA+0,03%PR), com

diferentes caudais de entrada de água (entre 600 e 200 L/h – o equivalente a 10 e 3.33 L/min)

e ainda, feita a deposição de uma pasta de outra formulação de gesso para um sexto recipiente.

No conjunto de figuras abaixo é possível visualizar o aspeto superficial dos blocos, após ter

passado algumas horas da sua deposição.

10 L/min 8,33 L/min 6,67 L/min

5 L/min 3,33 L/min 5 L/min

O que se pode concluir é que, à medida que se vai reduzindo o caudal de água de entrada,

consegue-se reduzir o caudal de extrusão mas a viscosidade da pasta aumenta levando ao

comprometimento da eficiência da mistura. Um dos efeitos do aumento da viscosidade pode

ser observado nas figuras anteriores, em que se nota uma superfície menos lisa à medida que se

diminui o caudal dado que o material tem mais dificuldade em se nivelar e homogeneizar. Por

outro lado, também é possível observar que a cor da superfície tende a ficar mais clara com a

diminuição de caudal, o que se traduz numa redução da homogeneidade da mistura


37

Depois de passado o tempo de presa do gesso os blocos foram removidos dos recipientes,

pesados e devidamente identificados para, posteriormente, passarem ao processo de secagem

onde será removida a água do seu interior.

Figura 41 - Remoção dos blocos dos recipientes e registos efetuados.

Depois do período de secagem foram maquinados dois dos blocos nas oficinas do INEGI.

Contudo, como é percetível nas fotografias abaixo, verificou-se a existência de algumas

cavidades superficiais consequência da existência de porosidades na altura da deposição. Essas

cavidades existem em maior número no bloco 4 (do lado esquerdo da imagem) do que no bloco

1, visto que, a pasta do bloco 1 foi obtida com maior entrada de caudal de água (10 L/min) na

misturadora do que a pasta do bloco 4 (5 L/min).

Figura 42 - Blocos de gesso maquinados. a) Qágua = 300 L/h e b) 600 L/h

a) b)


38

Atendendo aos fracos resultados obtidos para caudais mais reduzidos, considerou-se a hipótese

de alterar a arquitetura da bomba utilizada no equipamento. Uma vez que a bomba utilizada é

de cavidade progressiva, esta não efetua uma extrusão completamente uniforme, isto é, o

material sai da bomba em pulsos.

Recorreu-se a um torno mecânico existente nas oficinas do DeMec para remover a cavidade

roscada da bomba e transformá-la numa superfície cilíndrica para se testar a existência ou não

de diferenças na deposição do material. Como as formulações utilizadas necessitam de ser

previamente misturadas com os aditivos mas estas formulações foram quase esgotadas nos

ensaios referidos anteriormente, foi montada novamente a bomba “maquinada” no equipamento

e apenas se ensaiou se este funcionava e se se notava alguma diferença na extrusão de material.

Em suma, o equipamento depois de sofrer uma pequena adaptação funcionou e permitiu reduzir

o caudal de entrada de água até aos 3.33 L/min. No entanto, apesar de inferiores foram ainda

observados alguns pulsos durante a extrusão.

Figura 43 - Maquinação interior do estator da bomba de cavidade progressiva da máquina Turbosol


39

4. Sistemas de extrusão de pastas de gesso

No desenvolvimento de qualquer produto/equipamento é necessário reunir um conjunto de

requisitos e especificações que permitam conceber diversos conceitos que quando devidamente

estudados e ponderados possam ir de encontro a uma solução.

4.1 Requisitos

Os requisitos correspondem às exigências do utilizador para um determinado produto. De uma

maneira geral, neste caso, os requisitos irão indicar as necessidades do equipamento,

procurando responder a perguntas como: “O que é desejado?” e “Para fazer o quê?”.

Neste contexto, foram reunidos nos cinco pontos que se seguem, os requisitos que descrevem

o que se pretende do equipamento a desenvolver:

Funcionais:

Dispositivo capaz de fazer misturas de gesso com água com dosagens controladas.

Capacidade de extrudir material de forma contínua no processo de deposição.

Capacidade de bombagem da mistura numa distância entre 5 a 10 metros.

Controlo automatizado: alimentação, deposição e regulação de caudal.

Manutenção:

De fácil manutenção e limpeza, recorrendo ao conceito de “engates rápidos”.

Elementos de montagem e desmontagem simples para o caso de avaria.

Design:

Procurar solução com design apelativo, apesar de não ser um fator de grande relevância.

Design construtivo funcional com vista a facilitar o acesso a locais de manutenção.

Segurança:

Resistência mecânica – estrutura dimensionada de forma a suportar as cargas

necessárias.

Assegurar a não autodestruição do equipamento - segurança intrínseca do sistema.

Não causar dano nas peças a produzir nem aos funcionários – segurança do meio

envolvente.

Eficiência Energética

Elevado nível de eficiência energética e de consumo de matéria-prima.


40

4.2 Especificações

As especificações conferem uma descrição mais detalhada e exaustiva daquilo que se quer

conceber, daí aparecerem após reunidos todos os requisitos. Neste ponto torna-se importante,

conforme o termo indica, especificar aquilo que se pretende. De forma análoga ao que foi

exposto nos requisitos aqui também se pode exemplificar com a procura de resposta a estas

perguntas: “Quanto?”, “Como?”, “Em que condições?”.

Atendendo aos requisitos do sistema, e procurando responder às perguntas anteriormente

referidas, foram reúnidos um conjunto de especificações com vista ao auxílio do

desenvolvimento do sistema de extrusão:

Cabeça de extrusão

Dimensões

o Comprimento – 300mm

o Largura – 300mm

o Altura – cerca de 1000mm (1 metro)

o Peso do conjunto (sistema + motores + material contido no seu interior) <70 Kg

Velocidade de extrusão

o A velocidade de extrusão não deve ultrapassar os 300mm/s

Caudal

o O caudal está relacionado com a velocidade e, portanto, depende da secção do

bico de extrusão. O caudal de extrusão não deve promover uma velocidade

superior à requerida – deve rondar os 5L/min.

Potências dos motores de acionamento:

o A potência necessária para cada equipamento irá depender da velocidade das

hélices, no caso da mistura, e do caudal de extrusão, no caso da bomba. Para a

misturadora estima-se que seja necessária uma potência entre os 2 e os 2,5kW e

uma velocidade de mistura de 1500 r.p.m. (VER ANEXO A)

o Para o sistema de extrusão o estudo não foi muito conclusivo. Contudo com

velocidades de rotação bastante inferiores (158 r.p.m para obter o caudal

máximo de 5L/min) estima-se que a potência seja bastante inferior à da

misturadora.

Misturas

Estado das matérias-primas:

o Gesso: sólido (em pó)

o Água: líquido

o Aditivos: Sólidos ou Líquidos - idealmente sólidos pré-misturados com o gesso

- formulações sólidas (semelhante aos sacos de cimento na construção civil).

Relação Gesso/Água

o Gesso α aditivado - 2.20 kg/L – 2.30 kg/L

o Gesso β aditivado - 1.60 kg/L – 1.75 kg/L

o Gesso β não aditivado - 1.25 kg/L – 1,40 kg/L


41

4.3 Solução I – Adaptação da Máquina GIOTTO – TURBOSOL

Conforme já referido anteriormente, esta solução passa pela adaptação de um equipamento

industrial já existente no mercado. Apesar de ser utilizado em aplicações nada relacionadas com

additive manufacturing, o seu princípio de funcionamento baseia-se em três necessidades:

dosagem, mistura e bombeamento de materiais com propriedades idênticas às formulações de

gesso que se desejam aplicar no âmbito deste projeto.

Assim, o primeiro passo consistiu em conhecer detalhadamente o funcionamento da máquina:

como são inseridos os materiais, como são doseados e misturados e finalmente como são

bombeados. Findo isto e atendendo às especificações e requisitos do projeto, concluiu-se que o

sistema pode ser aproveitado, mas tem de ser repensado.

De salientar que o sistema de bombagem deste equipamento permite bombear material até 10m

de distância com uma mangueira hidráulica de 20mm de diâmetro.

Alimentação e doseamento

Na parte traseira da máquina está localizado o reservatório para materiais ou misturas em pó,

onde é acionada, a velocidade constante, uma turbina com pás radias para transportar o material

até à zona de mistura. Por sua vez, a água é inserida na zona de mistura na frente da máquina

com recurso a um sistema de bombagem, cujo caudal pode ser regulado num rotâmetro –

permitindo o doseamento de kg de mistura por litro de água. Além da entrada de água, existe

uma outra entrada para a eventual adição de aditivos líquidos. No caso de aditivos sólidos, estes

terão de ser previamente misturados com o material em pó.

Figura 44 - Reservatório de materiais em pó e sistema de bombagem da máquina Turbosol (TURBOSOL 2016)

Mistura

O módulo misturador consiste num elemento de geometria cilíndrica convergente. No seu

interior contém uma hélice que pode ter diferentes geometrias e cuja rotação assegura a mistura.

O material em pó é inserido na zona superior do misturador, local onde vai sendo misturado e

compactado até à zona inferior onde é inserida e misturada a água.

Figura 45 -Zona de Mistura da máquina e duas das hélices possíveis de escolher (TURBOSOL 2016).


42

Bombagem

O primeiro obstáculo a surgir está diretamente relacionado com a construção do sistema de

bombagem desta máquina e que é o tipicamente utilizado na construção deste tipo de

equipamentos. O funcionamento deste sistema tem por base a utilização de um fuso em aço que

roda dentro de um elemento roscado em borracha. Esta borracha é deformada elástica e

repetidamente pelo parafuso, levando a um efeito de sucção do material numa das extremidades

do mesmo, e de expulsão na outra extremidade. Desta forma, o material é obrigado a deslocar-

se sempre no mesmo sentido.

O mecanismo acima descrito exige que o material seja extrudido intermitentemente o que

representa um problema, particularmente no projeto a desenvolver. Além disso, o motor de

acionamento do fuso é o mesmo que o da hélice de mistura e, portanto, funcionam à mesma

velocidade levando a débito de caudais superiores (10 L/min) aos necessários (5 L/min).

Figura 46 - Sistema de extrusão da máquina TURBOSOL (TURBOSOL 2016)-

Adaptação

Depois de analisados os três sistemas que compõem a máquina, concluiu-se que os sistemas de

alimentação, doseamento e mistura seriam adequados e, portanto, poderiam ser mantidos na

adaptação da máquina. Por outro lado, em relação ao sistema de bombagem, apurou-se a

necessidade de estudar alterações para o tornar mais adequado aos fins em causa.

A solução encontrada passa por realizar o desacoplamento do sistema de mistura e bombagem.

Sugere-se assim que o elemento de bombagem ilustrado na Figura 46 seja retirado, e dê lugar

ao elemento representado na Figura 47. Este último deve ter como função apenas receber a

mistura e possibilitar a sua saída.

Uma vez que o elemento de origem tinha também como função o suporte da hélice torna-se

essencial a existência de uma peça que assegure esta função. Para isso, é colocada dentro do

novo elemento a peça 9, representada na Figura 47, e modo a garantir a sustentação da hélice.

Como forma de ultrapassar os problemas de atrito é colocado um casquilho em teflon (peça 17)

entre a extremidade da hélice e a peça 9 - Desenho completo no ANEXO A.

Figura 47 - Solução para a saída do material do misturador – VER ANEXO B.


43

Entre o sistema de mistura adaptado e a cabeça de extrusão é colocada uma bomba de parafuso

construída com o fuso retirado da máquina (peça 4 da Figura 48). O corpo metálico da bomba

(peça 1) é obtido através de tubo de construção mecânico normalizado, assim como os tubos de

entrada e de saída. Entre o corpo metálico e o fuso, é colocado um elemento de poliuretano

(peça 2), de forma a minimizar o atrito e permitir o alinhamento do fuso. A bomba é ativada

para abastecer um buffer existente na cabeça extrusora, sempre que o nível mínimo seja

ultrapassado.

Figura 48- Solução para bombagem desde a saída do misturador até à cabeça extrusora – VER ANEXO C

A cabeça de extrusão desenvolvida nesta primeira solução (ilustrada na Figura 49 - Cabeça de

extrusão concebida na solução I) tem uma arquitetura baseada na máquina Turbosol. O sistema

de abertura da tampa (peça 4), permite o fácil acesso à zona interior da máquina para operações

de limpeza ou manutenção. Além de vedar o reservatório (buffer), a tampa (peça 3), à

semelhança da máquina Turbosol, tem como função suportar o motor / motoredutor que induz

o movimento do fuso (peça 8). Neste conjunto, uma vez mais, é utilizado o fuso já existente por

razões de custos - uma peça deste calibre exige um processo de maquinagem preciso e

tratamentos térmicos especiais.

Figura 49 - Cabeça de extrusão concebida na solução I – VER ANEXO D


44

Para que facilmente se consiga substituir o bico de extrusão (peça 13), sugere-se utilizar uma

ligação roscada entre a peça que suporta o bico (peça 14), e a peça onde este é ligado (peça 15).

Esta última peça, com o auxílio da peça 12 têm como função suportar o peso e as forças

efetuadas pelo fuso. A peça 12 é perfurada radialmente, de forma a permitir que o material seja

extrudido e simultaneamente funciona como suporte para o fuso na sua zona central. Uma vez

mais é utilizada uma camisa de poliuretano (peça 10), de baixo coeficiente de atrito, com função

de centrar o fuso.

De notar que, além do orifício de entrada da mistura de gesso, existe um orifício mais pequeno

cujo objetivo é possibilitar a produção de vácuo para retirar ar da mistura e evitar a criação de

vazios nas peças fabricadas. Adicionalmente, está prevista a introdução de um varão de

vibração, utilizado tipicamente na construção civil, para ajudar a compactar a mistura

contribuindo também para a redução de vazios nas peças. Esta alteração exige que se tenha em

consideração o isolamento da vibração para a estrutura.

Todas as fixações são feitas com parafusos ISO – 4162 – M10×30 - S e porcas ISO – 4161 –

M10 – C e o transporte das misturas entre os 3 diferentes elementos é feita com recurso a

mangueiras. Em relação à obtenção de mangueiras com comprimento necessário, uma das

hipóteses é adquiri-las junto do fornecedor da máquina original.

É de realçar que uma das grandes desvantagens desta solução reside na necessidade de limpeza

cuidada, não só dos equipamentos, mas, também das mangueiras após a utilização uma vez que

o gesso pode facilmente endurecer dentro destas tornando-as inutilizáveis. A maior vantagem

deste sistema é a simplicidade e leveza da cabeça de extrusão.

A sequência de posicionamento dos elementos de mistura, bombagem e extrusão desta solução

pode ser observada através da Figura 50.

Figura 50 - Sequência de posicionamento dos diferentes elementos da primeira solução


45

4.4 Solução II – Novo Conceito

A solução II é mais complexa do que a I, uma vez que no mesmo equipamento são realizadas

as operações de mistura, doseamento e extrusão do material. Um inconveniente desta solução

é ser mais pesada que a cabeça de extrusão da primeira solução.

Nesta solução, a mistura é realizada na metade superior do equipamento com recurso a um

conjunto de lâminas de geometria variável, baseadas na máquina de mistura Schugi® Flexomix

apresentada na secção 2.5. A escolha desta máquina de mistura como base deve-se à sua

eficiência na mistura de materiais viscosos e na sua compacticidade. Identicamente à solução I,

a extrusão é feita na metade inferior da máquina. Uma vez mais é utilizado o fuso do

equipamento Turbosol, por ser uma peça cara de se fabricar.

O grande desafio desta solução reside em se conseguir velocidades de rotação diferentes no

fuso de bombagem e nas lâminas de mistura. A solução encontrada passou por conceber um

veio oco (peça 25) que suportasse as hélices de mistura e ao mesmo tempo deixasse passar no

seu interior o veio que transmite movimento ao fuso (peça 21). Posto isto, prevê-se que os

motores fiquem alojados paralelamente na tampa. O motor que aciona o sistema de mistura é

colocado num prolongamento da tampa e a sua ligação poderá ser feita com recurso a rodas

dentadas ou polias. Por sua vez, o motor que liga o fuso é colocado no mesmo eixo que o veio,

com um suporte “aranha” para conseguir um intervalo para a ligação motora da mistura. O

referido suporte é perfurado no centro para possibilitar a saída da extremidade do veio do motor.

Figura 51 – Conceito apresentado na Solução II – VER ANEXO E


46

No que diz respeito ao sistema de extrusão, este é muito idêntico ao idealizado para a cabeça

de extrusão da solução I. Na parte inferior são utilizadas as mesmas peças que na solução I: o

fuso da máquina Turbosol (peça 30), os bicos de extrusão, suportados por um elemento roscado

(peça 33) à flange inferior, a peça 32 para suportar o peso do fuso e a camisa em poliuretano

(peça 31) que ajuda a centrar o fuso e evita contacto aço-aço. As diferenças residem, sobretudo,

em algumas dimensões e na flange superior que recebe uma peça (27) que suporta o alojamento

(29) de um casquilho polimérico (28) que, por sua vez, auxilia a centragem do veio de mistura.

O uso do referido casquilho para este fim foi recomendado pela empresa igus® para aplicar no

seio de materiais viscosos, quando solicitada sobre a hipótese de aplicar um dos seus rolamentos

de corpo poliméricos e esferas em aço.

Figura 52 – Vistas de corte da a) zona de extrusão b) zona de mistura da solução II.

A sustentação do conjunto das 12 lâminas de mistura (6 peças 13 e 15) fixadas ao veio oco (25)

por parafusos ISO 4162 - M6×12×12-C, (14) é feita por meio de um anel elástico (24) aplicado

junto de um rolamento 6011-2rs (23) que suporta cargas radiais e axiais.

Para conseguir o movimento relativo entre os dois veios são colocados dois rolamentos no

interior do veio oco, um mais acima (6203-2rsr), próximo da zona onde são transferidos os

binários dos motores e outro mais abaixo (61905-2rsr), próximo do casquilho polimérico.

Na solução ilustrada, é utilizada uma roda dentada (peça 19) para transferir o movimento do

motor para o veio de mistura sendo a sua fixação ao veio executada com recurso a duas chavetas

ISO 2491 10×6-22-A diametralmente opostas (peça 22).

Apesar da robustez do equipamento, segundo o SolidWorks o peso do conjunto ilustrado é de

quase 30Kg, embora falte contabilizar o peso dos motores e do material nele contido, quando

em funcionamento.

a) b)


47

5. Simulações do sistema de extrusão no SolidWorks

A análise de escoamentos de qualquer fluido não-newtoniano é uma tarefa deveras complicada.

Contudo, quando assumidas algumas simplificações, tais como, desprezar o efeito de

compressibilidade, assumir escoamentos monofásicos, isotérmicos e laminares, torna-se

possível realizar modelações em elementos-finitos e as suas respetivas análises (Khoshnevis et

al. 2001).

A realização de simulações é uma ferramenta imprescindível para compreender e projetar o

funcionamento de sistemas. No caso deste trabalho, a simulação permitiu verificar as condições

necessárias para a extrusão dos caudais de pasta de gesso desejados.

5.1 Configuração das simulações

Como forma de poder verificar o funcionamento do sistema de bombagem concebido para

ambas as soluções, recorreu-se ao add-in FlowSimulation oferecido pelo SolidWorks para

simulação de escoamentos.

Visto que na lista de fluidos para simulação de escoamento do software não está presente

especificamente nenhuma pasta de gesso usou-se numa fase inicial, a seleção da opção “slurry”

dentro do grupo de fluidos não-newtonianos. Posteriormente, para simular escoamentos em

condições mais próximas da realidade foram utilizadas as propriedades reológicas de misturas

de gesso usadas em Papo (1988) uma vez que são semelhantes às que serão processadas no

âmbito deste trabalho. As referidas propriedades reológicas permitiram adicionar materiais

definidos pelo utilizador no software - “pasta de gesso”.

O artigo consultado, apresentava valores experimentais para vários modelos reológicos de

misturas com água e percentagens de 34 a 43,7% de gesso. Dos modelos listados no artigo,

apenas é possível introduzir um fluido não-newtoniano no SolidWorks com recurso aos modelos

de Carreau, Herschel-Bulkley e Power-law (Ostwald-de Waele).

Tabela 6 - Parâmetros reológicos para diferentes modelos de escoamento de fluidos não-newtonianos (Papo 1988)

No entanto, sendo a pasta de gesso um fluido pseudoplástico é indispensável selecionar um

modelo que tenha como parâmetro a tensão de corte. Observando a Tabela 6 verificamos que

apenas os modelos de Bingham ou de Herschel-Bulkley (H-B) contém esse parâmetro. Como

o SolidWorks não permite caracterizar um fluido com o modelo de Bingam foi utilizado o


48

modelo de Herschel-Bulkley para realizar as simulações com os parâmetros correspondentes a

41% de volume de gesso.

Ainda relativamente à configuração da simulação, o SolidWorks permite inserir condições de

escorregamento na parede através do preenchimento dos valores de duas constantes, C1 e C2,

e da tensão de corte do fluido não-newtoniano numa tabela. Para obter estes valores, foi

necessário estudar e compreender para que servem e de que forma se podem obter. Em relação

ao valor da tensão de corte (𝜏0), este pode ser obtido diretamente a partir da Tabela 6.

Num primeiro momento, recorreu-se ao menu “Ajuda” do software, que permitiu concluir que

as constantes C1 e C2 são utilizadas no cálculo da velocidade nas paredes quando esta é

diferente de zero, i.e., quando a tensão de corte admissível do material é ultrapassada - condição

de deslizamento, própria de fluidos não-newtonianos. No entanto, era requerido pelo software

a especificação dos valores das constantes pelo utilizador.


49

Assim, recorreu-se à secção 2.3 do artigo Papo (1988) onde são apresentadas as expressões de

cada modelo que permitem calcular a tensão de corte em função do shear rate (�̇�) e que é dado

pela equação:

�̇� =𝑣

ℎ, 𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑣 é 𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑟 𝑒 ℎ é 𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑎 𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑠𝑒 𝑑á 𝑜 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (7)

Depois da análise atenta das expressões em causa, chegou-se à conclusão que quando

convenientemente arranjadas, podem originar uma expressão idêntica à apresentada no

software. Deste modo, começando pela expressão original do modelo Herschel-Bulkley:

𝜏 = 𝜏0 + 𝐾�̇�𝑛 (8)

Fazendo os devidos ajustes,

𝜏 − 𝜏0 = 𝐾�̇�𝑛 ↔ (𝜏 − 𝜏0)

1𝑛 = 𝐾

1𝑛 ∙ �̇� ↔ �̇� =

1

𝐾1𝑛

(𝜏 − 𝜏0)1𝑛 (9)

e substituindo o shear rate (�̇�) pela equação 7, obtém-se:

𝑣 =ℎ

𝐾1𝑛

(𝜏 − 𝜏0)1𝑛 (10)

Quando se compara a expressão resultante com a expressão ilustrada do SolidWorks:

𝑣 = 𝐶1(𝜏−𝜏0)𝐶2 (11)

facilmente se identifica o que são as constantes C1 e C2 e como podem ser calculadas:

{

𝐶1 =

ℎ

𝐾1𝑛

(12)

𝐶2 =1

𝑛 (13)

Os valores de 𝐾 e 𝑛, à semelhança de 𝜏0, são obtidos diretamente da tabela. Por definição, o ℎ

é o valor da altura/espessura onde se dá um determinado escoamento e por esse motivo, pode

ser facilmente obtido sabendo as condições em que foram feitos os ensaios do artigo.

No artigo é dito que os ensaios são realizados num viscosímetro Rotovisco-Haake, com o

dispositivo de medição MV1. Este tipo de dispositivo, tem como princípio de funcionamento

fazer rodar um cilindro dentro de um reservatório cilíndrico subentendendo-se que a altura será

equivalente à diferença entre o raio do reservatório e o raio do cilindro de medição dado que é

nesse intervalo que se dá o escoamento.

Consultando o catálogo online deste equipamento (ThermoFisher 2015), pode facilmente ser

encontrado o valor desse intervalo (0.96mm) conforme ilustrado na Figura 53.


50

Figura 53 – Quadro resumo das dimensões do dispositivo de medição (ThermoFisher 2015)

Com este último dado é finalmente possível calcular os valores das constantes C1 e C2 e

introduzi-las no software.

{

𝐶1 =

0.00096

2.221

0.545

𝐶2 =1

0.545

↔ {𝐶1 = 0.000222

𝐶2 = 1.83486

Figura 54 - Tabela do SolidWorks onde são caracterizadas as condições de deslizamento.


51

5.2 Condições de fronteira e volume de controlo

Configurados todos os parâmetros da simulação, resta definir os volumes de controlo e as

condições de fronteira para se conseguirem efetuar as simulações e obter resultados.

Como as duas soluções apresentadas têm arquiteturas do sistema de bombagem muito idênticas,

foi selecionado como volume de controlo a zona de bombagem de um dos sistemas e impostas

3 condições de fronteira:

Pressão atmosférica na saída do bico de extrusão

Pressão Total de metro coluna de mistura recorrendo à expressão 𝑝 = 𝑝𝑎𝑡𝑚 + 𝜌𝑔ℎ

E movimento de rotação do fuso com uma determinada velocidade.

Figura 55 – a) Condições de fronteira do volume de controlo e b) Volume do fuso

Para saber qual a velocidade que deve ser imposta no fuso para obter um determinado caudal,

foi necessário efetuar algumas medições do sistema de bombagem.

Segundo o princípio de funcionamento das bombas de parafuso, por cada volta completa do

fuso é extrudida uma determinada quantidade de material, ou seja, para calcular o número de

rotações necessárias basta dividir o volume de material desejado pela sua quantidade.

Através do volume do fuso e do cilindro onde ele está inserido é possível determinar a

quantidade que é extrudida por cada volta. A diferença entre os dois volumes permite obter o

volume de material contido no sistema de bombagem, que dividido pelo número de passos do

fuso resulta na quantidade obtida por rotação.

O volume do fuso foi medido pelo princípio de Arquimedes e confirmado na sua modelação

3D, chegando-se à conclusão que é de cerca de 0.343 dm3.

A camisa polimérica onde é inserido têm um raio interior de 52mm e uma altura de 286mm

resultando num volume de 0.607 dm3 (𝜋 × 0.262 × 2.86 dm3).

Fazendo a diferença dos dois volumes e dividindo por 7 (número de passos do fuso):

𝑉𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙/𝑟𝑜𝑡𝑎çã𝑜 =𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 − 𝑉𝑓𝑢𝑠𝑜

7= 0.264 dm3 = 0.038 𝐿𝑡/𝑟𝑜𝑡𝑎çã𝑜

a) b)


52

Obtido este valor é possível estimar qual a velocidade necessária a induzir ao fuso para se

conseguir extrudir um determinado caudal, conforme é exemplificado com alguns valores na

Tabela 7:

Tabela 7 - Valores estimados da velocidade a impor ao fuso para um determinado caudal

Caudal pretendido – Q Velocidade de rotação Velocidade angular – ω

1.5 L/min 1.5

0.038≈ 40 𝑟. 𝑝.𝑚. 40 ×

2𝜋

60≈ 4.2 𝑟𝑎𝑑/𝑠

3 L/min 3

0.038≈ 79 𝑟. 𝑝.𝑚. 79 ×

2𝜋

60≈ 8.3 𝑟𝑎𝑑/𝑠

4.5 L/min 4.5

0.038≈ 118 𝑟. 𝑝.𝑚. 118 ×

2𝜋

60≈ 12.4 𝑟𝑎𝑑/𝑠

5.3 Simulações de teste

Antes de se ter conseguido as propriedades necessárias para criação do gesso como material na

base de dados do SolidWorks e dos parâmetros de deslizamento foram realizadas um conjunto

de simulações com água e o fluido não newtoniano “slurry”, predefinido pelo software. Estas

simulações serviram apenas como teste e permitiram verificar os efeitos da viscosidade do

material.

Tabela 8 - Resultados das simulações de teste: Água (ρ = 1000 kg/m3)

Contabilizado o efeito da gravidade?

Condições de Fronteira Resultados

P bomba [Pa] velocidade Q [m3/s] Q [L/min] Vy [m/s]

entrada saída r.p.m rad/s

Não 101325 P atm

102698,4 (0,200

m.c. água) 118 12,4

2,79E-04 16,73 0,904

Sim 4,77E-04 28,60 1,545

Gravidade + Rotação* 4,77E-04 28,61 1,546

*assinalado no software a existência de elementos em rotação.

Tabela 9 - Resultados das simulações de teste: “Slurry” (ρ = 1647,2 kg/m3)





Não 101325 P atm

103587,3 (0,200

m.c. slurry) 118 12,4

1,36E-04 8,14 0,440

Sim 3,25E-04 19,52 1,050



Com base nos resultados observáveis nas tabelas 9 e 10 podemos concluir que:

A viscosidade da pasta (slurry) leva a que os valores de caudal e velocidade sejam

inferiores aos da água, para a mesma velocidade de rotação.

Os caudais obtidos têm valor superior ao valor esperado de 4.5 L/min porque, uma vez

que os fluidos têm baixa viscosidade em comparação com pastas cerâmicas (inclusive

a pasta predefinida do SolidWorks), escorregam facilmente através do sistema de

bombagem. Isto é igualmente verdade mesmo se o sistema de bombagem estiver parado

por causa do efeito de diferença de pressão e/ou de gravidade.


53

5.4 Simulações com pasta de gesso

Depois de calculadas e reunidas as propriedades reológicas tornou-se possível adicionar à base

de dados do software um material semelhante às pastas de gesso que se pretendem extrudir com

as soluções idealizadas e simular a sua extrusão.

As condições de fronteira e os resultados obtidos, contabilizando ou não o efeito vertical da

gravidade, estão resumidos na Tabela 10. A última linha da tabela, para além do efeito da

gravidade, assume a existência de elementos do modelo em rotação como é o caso do veio.

Tabela 10 – Resultados das simulações para pasta de gesso (ρ = 2600 kg/m3)





não 101325 P atm

104896 (0,200 m.c.

pasta gesso) 118 12,4

3,82E-05 2,29 0,123

sim 1,44E-04 8,66 0,468



Quando não contabilizado o efeito da gravidade, o valor obtido para o caudal foi inferior ao

esperado. Porém, quando a gravidade é contabilizada, o caudal previsto de 4,5 L/min é

ultrapassado chegando este valor a ser quase o dobro. Não é possível explicar com certeza o

porquê deste valor, mas tudo parece indicar que ele é fruto das condições de fronteira impostas.

As condições de fronteira com maior impacto na simulação são o movimento rotacional do fuso

e a pressão à entrada na bomba. Uma vez que o objecto de estudo é a velocidade do fuso, resta

alterar o valor da pressão total de entrada. Optou-se por realizar uma nova simulação

considerando como pressão na entrada a pressão atmosférica ao invés da soma da primeira com

a pressão provocada pelo peso do material.

Tabela 11 - Resultados das simulações para pasta de gesso com pressão atmosférica à entrada da bomba





não 101325 P atm

101325 P atm

118 12,4

1,50E-06 0,09 0,005

sim 7,92E-05 4,75 0,257


Conforme se pode verificar na Tabela 11, o resultado obtido para o caudal, na última simulação,

que considera o efeito da gravidade e a existência de elementos do modelo em rotação, é de

4,76 L/min. Este valor é muito próximo dos 4,5 L/min que se esperam obter com a rotação do

fuso a 118 rotações por minuto.


54

Tendo em consideração as aplicações em que é esperado utilizar as soluções propostas, será

necessária a diminuição ou o aumento do caudal ou velocidade de deposição em algumas vezes.

Assim é relevante e interessante observar os resultados das simulações usando diferentes

velocidades de rotação, permitindo traçar uma curva de caudal debitado em função da

velocidade de rotação do fuso.

Todas as simulações foram feitas contabilizando o efeito de gravidade e de rotação de elementos

do modelo e assumindo pressão atmosférica à entrada da bomba, por ter sido a simulação em

que se obteve um resultado mais próximo do esperado.

Tabela 12 - Caudais obtidos para diferentes velocidades de rotação do fuso

Condições de Fronteira Objetivo Resultados

P atm. [Pa]

P Total [Pa] velocidade

Q [L/min] Q [m3/s] Q [L/min] Vy [m/s] r.p.m rad/s

101325 104896

(0,200 m.c. pasta de gesso)

0 0 0 6,67E-07 0,04 0,002

13 1,38 0,5 1,77E-05 1,06 0,057

26 2,76 1 2,88E-05 1,73 0,094

79 8,27 3 6,02E-05 3,61 0,195

158 16,5 6 9,63E-05 5,78 0,312

316 33,1 12 1,54E-04 9,23 0,499

Com os resultados obtidos nas simulações resumidas na Tabela 12 foi possível esboçar o gráfico

que se segue:

Figura 56 – Gráfico do caudal obtido nas simulações em função da velocidade de rotação induzida no fuso

No gráfico acima podemos observar que a linha de tendência com maior coeficiente de

correlação (R=0.9957) é polinomial de grau 2, ou seja, representa a equação de uma parábola.

Isto acontece porque a arquitetura do sistema de extrusão é mais adequada para debitar

determinados caudais. Para caudais muito pequenos a bomba tem tendência a extrudir mais

material do que o necessário e para caudais elevados as perdas de carga vão-se acentuando e a

bomba não consegue debitar a quantidade de material pretendida.

y = -5E-05x2 + 0,0429x + 0,3846R² = 0,9957

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 50 100 150 200 250 300 350

Cau

dal

Vo

lúm

ico

Q [

L/m

in]

velocidade de rotação do fuso n [r.p.m.]

Caudal volúmico em função da velociade de rotação


55

6. Conclusões e perspetivas de trabalho futuro

6.1 Conclusões

1. O fabrico aditivo (FA) permite fabricar objetos a partir dos mais diversos materiais, de

forma completamente automatizada. Contudo ainda existem problemas a ultrapassar tais

como: baixas velocidades de fabrico, baixa precisão dimensional, acabamentos

superficiais fracos, propriedades mecânicas baixas e custos elevados.

2. Os processos híbridos, nos quais se maquinam as peças numa fase final ou durante o

processo, permitem aumentar a cadência e assegurar a precisão, detalhe e qualidade

superficial desejada sendo isto uma enorme vantagem face ao custo e aos problemas

enumerados em 1.

3. O gesso β, α+β ou uma combinação destes materiais com aditivos permite obter peças

de grandes dimensões em tempos reduzidos e a preços económicos, o que é francamente

inovador nas tecnologias onde este trabalho está inserido. No entanto, fica por

demonstrar a sua aplicação nas indústrias de fundição, cerâmica e compósitos.

4. O equipamento da Turbosol demonstrou ser capaz de bombear e misturar as

formulações de teste razovelmente bem nos ensaios realizados no INEGI. O mesmo

pode ser constatado pelas suas aplicações na construção civil há décadas. Porém, os

caudais de extrusão mínimos obtidos superam (cerca de 10L/min) os valores desejados

(5L/min). No entanto, verificou-se que ao tentar baixar o caudal de saída, fazendo

diminuir o caudal de entrada de água, resultavam misturas porosas – falta de tempo de

mistura – o que sugeriu, que nessas circunstâncias a velocidade do misturador deveria

ser superior, e /ou que o material devia estar mais tempo a misturar antes de ser

extrudido.

5. A solução ao problema referido no ponto anterior, passou por desacoplar no

equipamento adquirido e testado, a componente de mistura do elemento de bombagem

com o objetivo de ser possível realizar misturas mais eficientes (rápidas) com saídas de

material (caudais) baixos (velocidade de rotação do fuso inferior à do misturador).

6. As soluções apresentadas baseiam-se no conceito e aproveitamento de componentes do

equipamento Turbosol, de fácil obtenção junto do fornecedor do equipamento,

nomeadamente das hélices de mistura e elemento de bombagem (conjunto fuso + estator

<100€), hélice (<100 €), muito mais económico que qualquer solução criada de raiz.

Estes factos são válidos para a construção e manutenção (desgaste dos elementos).


56

7. A solução I é mais económica e simples de materializar e testar. O seu funcionamento

pode ser assegurado pelo ensaio de extrusão realizado com o fuso num estator cilíndrico

- princípio do parafuso de Arquimedes - em vez da bombagem progressiva com estator

roscado – configuração inicial do sistema de bombagem. Esta solução é mais leve

porque a mistura e bombagem é feita distante (até 10 m) da cabeça de extrusão.

Peso da cabeça extrusora: 21 Kg + 1 motor + gesso

8. Nesta solução I apenas é necessário adicionar um sistema controlador para dosear água

em menores proporções relativas, o que praticamente não vai ocorrer no processo.

9. A solução II é mais complexa e mais pesada quando comparada com a primeira. Esta

exige o fabrico de componentes que não existem disponíveis no mercado. Além disso,

levanta algumas questões relacionadas com o transporte do gesso em pó até à cabeça de

extrusão, pois a forma mais expedita parece ser recorrer a sistemas pressurizados de ar

comprimido o que pode provocar a existência de partículas de ar, indesejadas, na

mistura. Por sua vez, o transporte de água até à cabeça não levanta grandes dificuldades

porque é facilmente concebível com recurso a um sistema de bombagem convencional.

Peso da cabeça extrusora: 30 Kg + 2 motores + gesso


57

6.2 Trabalhos Futuros

Estabelecidas as conclusões, sugerem-se alguns trabalhos passíveis de realizar num futuro

próximo, tendo em conta o contexto atual desta dissertação:

Repetir os ensaios de extrusão de pastas de gesso com o equipamento Turbosol,

recorrendo ao estator que foi maquinado (que passou a funcionar como parafuso de

Arquimedes) e testar deposições com caudais inferiores.

Realizar novos ensaios de maquinagem com as peças obtidas do ponto anterior e

averiguar se se conseguem obter peças menos porosas.

Realizar ensaios de resistência mecânica com provetes provenientes das peças depositadas

com o equipamento Turbosol.

Construir um protótipo de, pelo menos, uma das soluções com vista a testar o conceito.

Considerar a opção de inserir um controlador proporcional baseado no valor da velocidade

de saída da pasta para controlar as velocidades de avanço dos eixos X e Y da cabeça

extrusora (plano da máquina).

Repensar a forma de controlar o sistema de alimentação de água no dispositivo da solução

1, de forma coordenada com a saída de material. Isto é, que só permita alimentação de

água na mistura ao mesmo tempo que é feita a bombagem do seu interior.

Estudar uma forma de tratar as cavidades superficiais das peças maquinadas, por forma a

ultrapassar a dificuldade associada à existência de porosidades.

Estudar forma de realizar secagem da peça durante a sua deposição.

Desenvolver um sistema em que o bico de extrusão possa estar em vácuo, de forma a

eliminar parte das porosidades do gesso depositado.


58


59

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63

ANEXO A - Estimativa da Potência necessária para o motor do misturador da solução II

Propriedades da mistura

densidade ρ

[Kg/m3] 2600

viscosidade μ [Pa.s] 2,500

Dimensões do veio oco

diâmetro externo φ [mm] 60

diâmetro interno φ [mm] 50

espessura tubo et [mm] 5

altura da zona útil h [mm] 168

Diâmetro int reserv φ [mm] 150

esp entre res e tubo e [mm] 45

Material do veio oco: aço INOX

ρ ρ

[Kg/m3] 7700

m m [Kg] 1,12

I [Kg.m2] 1,54E-04

Secção de cada Hélice de 2 Lâminas (H2)

A [mm2] 271

Secção de cada Hélice de 3 Lâminas (H3)

A [mm2] 899

comp médio lâminas hl [mm] 23

com

pri

me

nto

da

hé

lice

Zona de mistura

Zona de extrusão

Zona para acoplar motor do misturador

Zona para acoplar motor da bomba


64

Estimativa de potência necessária

Caudal Volúmico Q [L/min] 1,5 3 4,5 6

velocidade n [r.p.m.] 1500 1500 1500 1500

velocidade angular ω [rad.s] 157,08 157,08 157,08 157,08

Potência necessária para vencer a viscosidade

Torque T [Nm] 0,25 0,25 0,25 0,25

Potência [w] 39,07 39,07 39,07 39,07

braço L [m] 0,042

Área das 6 hélices H2 A [m2] 0,0016

Área das 6 hélices H3 A [m2] 0,0054

Pressão máxima simulada P [Pa] 108907,00

vel angular calculada ω calc [rad/s] 104,72 115,19 125,66 136,14

Potência necessária [w] 769,58 846,54 923,50 1000,45

Potência TOTAL [W] 808,647 885,605 962,563 1039,521

Se necessário

Admitindo η redutor 100% e η motor 90%

e Coef.seg. 2

Potência do Motor [w] 1796,99 1968,01 2139,03 2310,05

Situação crítica


65

ANEXO B: Desenho conjunto do sistema de saída da solução I


66

ANEXO C: Desenho conjunto da bomba da solução I


67

ANEXO D: Desenho conjunto da cabeça extrusora da solução I


68

ANEXO E: Desenho conjunto da solução II


69

ANEXO F: Resultados da simulação do sistema de extrução para uma estimativa de caudal de 4,5 L/min – 12.4rad/s

Outp

uts

da

sim

ula

ção d

a ex

trusã

o d

e g

esso

(m

ater

ial

cria

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a b

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a 1

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(12.4

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bom

ba

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o c

ondiç

ões

de

fro

nte

ira.


70

Gráficos obtidos na simulação da extrusão de gesso (material criado na base de dados do

SolidWorks) fazendo rodar o fuso a 118 r.p.m. (12.4 rad/s) com pressão atmosférica na entrada

e saída da bomba como condições de fronteira.


71

Documents

Desenvolvimento de um sistema de extrusão de pastas de