PROJETO E FABRICAÇÃO DE UM BRAÇO MECÂNICO … · iii Nunes, Luiz Fernando de Oliveira Mello Projeto e fabricação de um braço mecânico para sonda de ultrassom médico. /Luiz

PROJETO E FABRICAÇÃO DE UM BRAÇO MECÂNICO PARA SONDA DE

ULTRASSOM MÉDICO

Luiz Fernando de Oliveira Mello Nunes

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

título de Engenheiro. Luiz Fernando de Oliveira

Mello Nunes

Orientador: Luciano Menegaldo

RIO DE JANEIRO

MARÇO DE 2015

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE

JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ


ULTRASSOM MÉDICO


PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO

DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE

ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

________________________________________________

Prof.Luciano Menegaldo. (Orientador)

________________________________________________

Prof. Anna Carla Araujo, D.Sc.

________________________________________________

Prof. Sergio Exel Gonçalves, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

MARÇO DE 2015

iii

Nunes, Luiz Fernando de Oliveira Mello

Projeto e fabricação de um braço mecânico para sonda de

ultrassom médico. /Luiz Fernando de Oliveira Mello Nunes.–

Rio de Janeiro: UFRJ/ESCOLA POLITÉCNICA,2015.X,

61p.: il.; 29,7cm.


Projeto de Graduação – UFRJ/ POLI/ Engenharia

Mecânica,2015.

Referências Bibliográficas: p.54.

1.Braço mecânico. 2. Fabricação. 3.Impressão 3d.

4.escaneamento3d

I. Menegaldo, Luciano. II. Universidade Federal do Rio de

Janeiro,UFRJ,Engenharia Mecânica.III.Título

iv

Agradecimentos

Agradeço primeiramente a Deus, por ter me permitido viver até aqui com saúde

e paz, me abençoando e me dando força nos momentos de dificuldade.

À minha família, em especial aos meus pais, Sandra de Oliveira Mello Nunes e

Paulo Cesar Nunes, por todo o apoio, suporte e incentivo dado durante toda a minha

vida, sem medir esforços para que eu e meus irmãos pudéssemos estudar e nos formar.

Aos meus irmãos, Bruno Cesar Nunes e Ana Beatriz de Oliveira Mello Nunes, também

por todo apoio que me passam em todos os momentos e por serem um exemplo para

mim.

À minha namorada Nathália Sampaio por estar ao meu lado me dando suporte

em todos os momentos necessários.

Ao meu orientador Luciano Menegaldo pela paciência e disposição em sempre

ajudar nos momentos de dúvida e de dificuldade.

Aos meus amigos da faculdade que passaram por tantas histórias comigo ao

longo dessa caminhada, sem eles com certeza teria sido uma caminhada muito mais

difícil.

Aos meus amigos de faculdade, Gabriel Bizzo, Hugo Bizzo e Pedro Abreu

Bastos, primeiramente pela amizade e, depois, por terem me dado a grande

oportunidade de utilizar a empresa deles para conseguir fabricar e terminar este projeto.

Ao professor Ricardo Marroquim e ao laboratório de computação gráfica da

UFRJ por permitir a realização do escaneamentos dos ultrassons.

Aos meus professores da Engenharia Mecânica da UFRJ por todo conhecimento

passado me possibilitando alcançar meus objetivos.

v

Resumo do projeto de graduação apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitos

necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.


ULTRASSOM MÉDICA


Fevereiro/2015


Curso: Engenharia Mecânica

O presente trabalho apresenta as etapas do projeto para a fabricação de um braço

mecânico para melhorar a tomada de dados nos testes de flexibilidade em uma

população de idosos. No presente trabalho foi necessário conhecimento nas seguintes

matérias do curso de Engenharia Mecânica: Dinâmica, Usinagem, Comando Numérico,

Mecânica dos sólidos, Mecanismos, Desenho técnico em Engenharia Mecânica,

Princípio e ciências dos materiais. Além dessas matérias do curso de mecânica, foi

necessário desenvolver conhecimentos na área de computação gráfica. Além disso, foi

necessário a utilização de softwares como Meshlab para tratar os modelos 3D

escaneado, ScanStudio para trabalhar com o escaneamento 3D, Phyton para criação de

um programa para facilitar a seleção do material e analise dos esforços estáticos,

SolidWorks para criação de modelos e Ansys para a análise das tensões sofridas pela

estrutura. Foram utilizados equipamentos como Torno, máquinas fresadora de CNC,

furadeira, impressora 3D e equipamento de para escaneamento 3D.

Palavras-Chave: Braço mecânico, medição de flexibilidade, biomédica.

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a part of ful fillment of

the requirements for the degree of Engineer.

PROJECT AND MANUFACTURE OF MECHANICAL ARM FOR ULTRASOUND

MEDICAL PROBE


Fevereiro/2015

Advisor: Luciano Menegaldo

Course: Mechanical Engineering

This paper presents the steps of the project to manufacture a mechanical arm to

improve accuracy data in flexibility tests. In the present work was necessary knowledge

in the following areas of Mechanical Engineering course: Dynamics, Machining,

Numerical Control, Solid Mechanics, Mechanisms, Technical Drawing in Mechanical

Engineering and Principle and materials science. And computer graphics was necessary.

In addition it was necessary to use software like MeshLab to treat 3D models scanned,

Scan Studio to work with 3D scanning, Solid Works, Ansys to analyze the strain, and

Blender to model. Equipment used as lathe, drilling machine, CNC machines, 3D

printer and scanning equipment for 3D.

Keywords: Mechanical arm, Flexibility test, biomedical.

vii

Sumário

1 Introdução.................................................................................................................. 9

1.1 Objetivo ............................................................................................................. 9

2 Projeto conceitual .................................................................................................... 11

3 Seleção do material ................................................................................................. 21

4 Projeto mecânico ..................................................................................................... 23

4.1 Estabilidade ...................................................................................................... 23

4.2 Resistência dos materiais ................................................................................. 26

4.2.1 Descrição .................................................................................................. 27

5 Fabricação ............................................................................................................... 29

5.1 Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade das ligas de alumínio ......... 29

5.2 Cálculos dos processos de usinagem ............................................................... 30

5.2.1 Base inferior ............................................................................................. 30

5.2.2 Base superior ............................................................................................ 33

5.2.3 Braço ......................................................................................................... 34

5.2.4 Junta A ...................................................................................................... 34

5.2.5 Junta B ...................................................................................................... 35

5.2.6 Antebraço.................................................................................................. 36

5.3 Fabricação da peça que fixa o ultrassom ......................................................... 37

5.3.1 Escaneamento 3D ..................................................................................... 37

5.3.2 Tratamento da imagem escaneada ............................................................ 41

5.3.3 Modelagem do suporte ............................................................................. 43

5.3.4 Impressão 3D ............................................................................................ 45

6 Testes do equipamento e discussão ......................................................................... 51

7 Conclusão ................................................................................................................ 53

8 Referências Bibliográficas ...................................................................................... 54

9 Anexos ..................................................................................................................... 55

viii

9.1 Manual de fabricação e montagem .................................................................. 55

9

1 Introdução

No laboratório de biomédica da UFRJ são realizados testes com o objetivo de verificar

o efeito de um programa de alongamento do tríceps sural (TS), conjunto de músculos da

parte posterior da perna.

Estas análises são feitas a partir do deslocamento da junção miotendínea (junção do

tendão calcanear e os músculos gastrocnêmios), observadas por meio de um vídeo de

ultrassom. Medidas desse deslocamento indicarão a adaptação da estrutura músculo-tendão

quanto ao nível de flexibilidade da pessoa, após a aplicação de um programa de

alongamento de 12 semanas.

1.1 Objetivo

O objetivo deste trabalho é criar uma forma de melhor a aquisição de dados de tais

testes, diminuindo os erros devido à falta de estabilidade quando o teste é feito com o

ultrassom sendo segurado manualmente (figura 1.1). Além deste, tentamos tornar mais

prático e menos cansativo para o executor do teste. Para isso, foi preciso encontrar uma

forma de manter o transdutor imóvel mesmo estando em contato com uma musculatura que

se encontra em movimento, que, além disso, não tenham necessariamente uma forma que se

encaixem perfeitamente com a forma do transdutor.

Neste projeto precisamos de uma forma de manter erguido e imóvel transdutores com

pesos entre 200 e 400 gramas, levando em consideração o peso do fio dos mesmos. Nosso

transdutor precisa chegar a uma altura de aproximadamente 1 metro, como pode ser visto

na figura 1.2 e ter liberdade de rotação de pelo menos 90 graus em torno do seu próprio

eixo.

Figura 1.1 – antiga forma de realizar os teste

10

Figura 1.2- Espaço disponível para o teste

No capítulo 2 são feitas análises e escolhas conceituais do projeto.

No capítulo 3 são apresentadas as decisões do projeto sobre o material utilizado.

No capítulo 4 são realizados cálculos mecânicos de estabilidade, resistência dos

materiais e cinemáticos.

No capítulo 5 são feitos cálculos dos parâmetros de usinagem das peças.

No capítulo 6 são feitos avaliações sobre o funcionamento do aparelho e são sugeridas

melhorias.

No capítulo 7 é feita a conclusão do trabalho.

No capítulo 8 são colocadas as referências.

No capítulo 9 estão os anexos.

11

2 Projeto conceitual

Para esse projeto foi escolhido fabricar um braço mecânico que pudesse manipular o

transdutor. Para isso, o braço necessitava de alguns graus de liberdade e uma base muito

estável. À priori, foi pensado em fazer uma espécie de cinta que segurasse o transdutor e

fixasse a perna. Porém um braço mecânico daria mais liberdade e poderia ser utilizado nos

mais diversos pontos do corpo, como panturrilha, coxa, bíceps entre outros.

Após decidir pelo braço mecânico, foi necessário escolher as configurações possíveis.

Como este foi um projeto que partiu do zero, foram criadas inúmeras possibilidades com

diferentes juntas, diferentes bases, formas, graus de liberdade. Foi decidido trabalhar com

juntas de rotação devido à facilidade de construí-la, manipula-la e controla-la. Na figura 2.1

temos o esquema e a nomenclatura das partes de um braço robótico.

Figura 2.1 – esquema e nome das partes de um braço mecânico

Para a base do equipamento, foi escolhida a estrutura da figura 2.2. Ela é formada

por duas barras dispostas perpendicularmente uma sobre a outra, fixas por meio de um

ajuste forçado. A base possui um furo para permitir que o braço (barra vertical estática) seja

acoplado à base também por meio de ajuste forçado. A escolha por essa base foi devido a

fácil fabricação, poder utilizar o mesmo material que seriam feitas as juntas, todos os

processos de fabricação necessários estarem disponíveis, ter um visual agradável e grande

12

inércia de rotação em várias direções. Outra vantagem desta base é a menor massa que ela

possui.

Figura 2.2 – base escolhida

O modelo de corpo escolhido foi da figura 2.3. Nele foi utilizado um tubo circular

como braço, e outro como antebraço (tubo que tem liberdade para girar). A junta utilizada

permite 5 graus de liberdade como mostrada na figura 2.4.

Figura 2.3 – estrutura escolhida

13

Figura 2.4 – graus de liberdade do braço mecânico

Com apenas o aperto de um parafuso, todos os graus de liberdade são restringidos.

A junta é composta por 3 partes (figura 2.5): junta A (figura 2.6) ligada ao braço, junta B

(figura 2.7) ligada ao antebraço, e um parafuso.

Figura 2.5 – montagem da junta

14

Figura 2.6 – junta A

Figura 2.7 – junta B

A junta A possui um corte que vai até o furo por onde passará o braço. Esta peça

permite o movimento na direção y (direção do eixo do braço). Com o aperto do parafuso, as

partes da peça A, que não estão em contato, se tocam fazendo pressão no braço e

15

restringindo o movimento na direção y devido ao atrito entre os corpos. A junta A não

possui rosca, apenas a junta B.

A junta A pode rotacionar em torno de y. Esta é restringida junto com o

impedimento do movimento na direção y.

A junta B possui um furo por onde o parafuso entra nela perpendicularmente ao

antebraço. Dessa forma, o parafuso entra em contato com o antebraço. Ao apertar o

parafuso, aumenta-se a tensão entre o antebraço, as paredes internas da junta e o parafuso,

aumentando assim o atrito entre eles. E dessa forma, restringe-se o movimento na direção

que acompanha o eixo do antebraço.

O quarto grau de liberdade (giro do antebraço em torno do parafuso) é controlado

pela angulação na qual é realizado o aperto da junta e do parafuso. Deve-se apertar o

parafuso mantendo o antebraço na posição desejada.

E o último (giro do antebraço em torno do seu próprio eixo) também é limitado pelo

aperto do parafuso.

Uma forma de ajudar no controle do sistema é a colocação de um contrapeso na

extremidade oposta a que o ultrassom ficará, mas esta foi evitada, pois ela aumentaria os

esforços no corpo, e o peso total da peça, o que pioraria a mobilidade do equipamento como

um todo. Outra forma de melhor o controle do braço seria a colocação de molas na junta e

no antebraço.

Para o manipulador, ou membro terminal, foi escolhido um suporte bipartido, como

mostrado nas figuras 2.8, 2.9 e 2.10. No interior do suporte temos exatamente a forma do

ultrassom dando a eles um encaixe perfeito. Na parte superior do suporte temos um buraco

por onde o antebraço pode passar. A fixação entre o suporte e o antebraço é feita por meio

de um pino que passa por um dos buracos transversais ao buraco citado anteriormente

(figura 2.9). A parte de cima se acopla a de baixo por meio de porcas e parafusos que

podem ser colocados nos furos que tem nas laterais do suporte (figura 2.10).

16

Figura 2.8 – Vista frontal da montagem do suporte

Figura 2.9 – Vista inclinada parte de cima do suporte do ultrassom

17

Figura 2.10 – vista superior da parte inferior do suporte do ultrassom

Para concluir, foi decidido que usaríamos um braço de 700 mm, com um diâmetro

interno de aproximadamente 13 mm e um externo de 19,5; e um antebraço de 600 mm, com

mesmo diâmetro interno e que será usinado para ficar com o diâmetro externo de 15 mm, e

assim aumentar a estabilidade e diminuir o peso do equipamento.

As juntas, a priori, terão as dimensões das figuras 2.11 e 2.12. As bases terão as

dimensões das figuras 2.13 e 2.14.

Figura 2.11 – Vista direita e frontal da junta B com suas prováveis dimensões

18

Figura 2.12 – Vista com as prováveis dimensões da junta A

19

Figura 2.13 – Vistas com as prováveis dimensões da base inferior

20

Figura 2.14 – Vistas com as prováveis dimensões da base superior

21

3 Seleção do material

Para o braço mecânico tínhamos as seguintes opções: alumínio, aço de médio teor de

carbono e aço inoxidável. Abaixo segue algumas características desses metais:

Os aços com médio teor de carbono possuem concentrações de carbono entre

aproximadamente 0,25 e 0,60%. Essas ligas termicamente tratadas são mais resistentes do

que os aços com baixo teor de carbono, porém com o sacrifício de ductilidade e tenacidade.

As suas aplicações incluem as rodas e os trilhos de trens, engrenagens, virabrequins e

outras peças de máquinas e componentes estruturais de alta resistência que exigem uma

combinação de elevada resistência, resistência à abrasão e tenacidade.

Os aços inoxidáveis são altamente resistentes à corrosão (oxidação superficial) em uma

variedade de ambientes, especialmente a atmosfera ambiente. Seu elemento de liga

predominante é o cromo; é necessária uma concentração de cromo de pelo menos 11 %.

Uma ampla variedade de propriedades mecânicas combinadas a uma excelente resistência à

corrosão tornam os aços inoxidáveis muito versáteis nas suas aplicabilidades.

O alumínio e suas ligas são caracterizados por uma densidade relativamente baixa (2,7

g/cm3, em comparação com uma densidade de 7,9 g/cm3 para o aço), condutividades

elétrica e térmica elevadas e por uma resistência à corrosão em alguns ambientes comuns,

incluindo a atmosfera ambiente. Muitas dessas ligas são conformadas com facilidade em

virtude das suas elevadas ductilidades. A resistência mecânica do alumínio pode ser

aumentada através de deformação plástica a frio e mediante a formação de ligas.

Entretanto, ambos os processos tendem a diminuir a resistência à corrosão.

Analisando as propriedades acima, foi decidido que a melhor alternativa para o projeto

é o alumínio. O aço de médio carbono possui um preço menor e uma boa resistência

mecânica, porém é muito pouco resistente a corrosão, mesmo em atmosferas não

agressivas. Além do mais, em nosso projeto desejemos o menor peso possível para facilitar

a locomoção. O aço inoxidável possui boa resistência mecânica e alta resistência à

corrosão. Porém, devido ao alto preço ele se tornou uma opção inviável. Além disso, ele

possui uma densidade relativamente alta. O alumínio possui uma baixa densidade se

comparada às outras opções, é resistente a corrosão e possui uma boa resistência mecânica,

apesar de menor que o aço. Assim possui uma resistência específica maior que a do aço,

22

como visto acima. O preço do alumínio é intermediário ao valor do aço comum e do

inoxidável.

Foi escolhida a liga 6061 T6 para fabricar o braço e antebraço devido a boa resistência

mecânica, preço e ser disponibilizados na forma de tubo. Para a fabricação da base e juntas

foi escolhida a liga 6351 pois está atendia as necessidades mecânicas, é fornecida no

formado desejado (barra com seção quadrada) e por questões financeiras.

23

4 Projeto mecânico

Para avaliar se o aparelho não terá problemas de estabilidade e de fratura de alguma

peça foram necessários cálculos, dos quais também foram decisivos na escolha das medidas

e formas de cada peça do equipamento.

4.1 Estabilidade

Para avaliar a estabilidade e definimos as dimensões finais da base, precisamos

analisar as forças que agem no nosso equipamento.

Para fazer uma avaliação preliminar foi utilizado o software Solidworks. Foi feita

uma montagem do equipamento (figura 4.1), com uma massa equivalente ao peso do

ultrassom + o suporte para avaliar se o centro de massa do conjunto ficaria dentro área da

base projetada no chão. Apesar de não ser uma análise conclusiva ela serve para se ter uma

ideia da estabilidade, além de ser uma análise simples de se fazer. Depois será feito os

cálculos finais.

Esta análise da estabilidade pelo centro de massa, se baseia no fato de que caso só aja

o peso e a normal de contato com o chão (num plano horizontal) eles terão o mesmo

módulo e sentidos opostos. Como o centro de massa é a posição onde podemos concentrar

toda massa do sistema e para que temos um sistema de forças equivalente, caso a posição

do centro de massa esteja pra fora da área da base, a força peso terá um braço de momento

maior que a força normal, e consequentemente um momento maior já que a normal com o

chão só pode se concentra até os limites da base, e dessa forma o corpo tombaria.

A montagem foi feita com o antebraço na posição horizontal (pior situação possível),

e a extremidade oposta ao ultrassom a 100 mm da junta, pois esta será usada para se colocar

um contrapeso caso necessária como citado anteriormente, com uma base de 200mm de

comprimento.

A resposta do programa para a posição do centro de massa, considerando a origem

dos eixos posicionada na base da montagem, na extremidade de uma das bases (a 100mm

do centro do braço), foi Xcm=10,55mm, Zcm=188,56mm e Ycm=299,97mm, sendo o eixo Y

o que acompanha o eixo do braço e Z a direção do eixo do antebraço.

24

Figura 4.1 – montagem do equipamento com um peso equivalente ao da montagem

ultrassom/manipulador

Agora faremos os cálculos de estática para analisar a estabilidade com os pesos das

peças com as dimensões determinadas anteriormente.

A massa da montagem ultrassom mais manipulador é de 420 gramas, a do antebraço

é de 73 gramas e a massa do conjunto base mais braço mais juntas mais parafuso é de 1783

gramas. A figura 4.2 representa o diagrama de corpo livre da montagem, sendo a carga de

0,120 N o peso concentrado do lado esquerdo do antebraço, a carga de 0,596 N o peso do

lado direito do antebraço, a carga de 4,116 N o peso concentrado do suporte mais

ultrassom, a carga “n” é a força de contato do chão com a base quando o aparelho está na

tendência de tombar, e a carga de 17,473 N é o peso somado do braço, juntas, parafuso e

base. Para analisar quando o equipamento irá tombar, iremos considerar uma base de

comprimento 2x, se x for maior que 100 mm o corpo tombará. Apesar da base ter a

dimensão 2x e não 200mm, faremos a análise com o corpo tendo a massa caso tivesse uma

base de 200mm para a análise fazer sentido.

25

Figura 4.2 – diagrama de corpo livre da montagem.

Fazendo o equilíbrio na direção vertical, encontra-se 𝒏 = 𝟐𝟐, 𝟑𝟎𝟒𝟖𝑵. Fazendo o

somatório de momentos em relação ao centro da base temos que o momento no sentido

anti-horário (saindo do papel) é de 𝟎, 𝟏𝟏𝟗𝟔. 𝟓𝟎 + 𝟐𝟐, 𝟑𝟎𝟒𝟖. 𝒙 = 𝟓, 𝟗𝟖 + 𝟐𝟐, 𝟑𝟎𝟒𝟖. 𝒙. Já o

momento no sentido oposto é igual a 𝟎, 𝟓𝟗𝟓𝟖. 𝟐𝟓𝟎 + 𝟒, 𝟏𝟏𝟔. 𝟓𝟎𝟎 = 𝟐. 𝟐𝟎𝟔, 𝟗𝟓 𝑵𝒎𝒎.

Igualando os dois momentos encontra-se x igual a 98,7 mm. Dessa forma vemos que

não chegou ao ponto crítico no qual o ultrassom tombaria. Para analisar a estabilidade com

relação ao tombamento na direção perpendicular ao papel, precisamos separa o peso da

junta B, do peso do braço mais o peso da junta A mais o peso base, pois nessa análise, o

peso da junta B realiza momento que faz o corpo tender a tombar. Nesta analise podemos

somar os pesos do conjunto ultrassom/suporte, o peso do antebraço e o peso da junta B

(está soma dará 6,340 N), pois este tem um centro de massa quase que coincidentes na

direção perpendicular ao papel. Para facilitar os cálculos vamos colocar o centro de massa

deste conjunto na posição mais afastada da junta B (caso pior que o real). Como a força “n”

continua com o mesmo modulo e a priori a junta B terá dimensão de 43,8 mm na direção

em questão, e fazendo o momento em relação ao centro do braço, temos: 𝟐𝟐, 𝟑𝟎𝟒𝟖. 𝒙

como momento contra o tombamento (normal vezes a distância x) e 𝟔, 𝟑𝟎𝟒𝟖 . 𝟒𝟑, 𝟖 =

𝟐𝟕𝟕, 𝟔𝟗𝟐 𝑵 𝒎𝒎 (somatório das forças que realizam momento na direção do papel em

relação ao centro braço, vezes o braço). Assim igualando os momentos temos 𝒙 =

𝟏𝟐, 𝟒𝒎𝒎 . Como x é menor que 100 mm o equipamento não corre o risco de tombar.

26

Como Fn (força de contato do transdutor e a perna) é para esquerda o caso de

tombamento que poderia ocorrer seria no sentido anti-horário (figura 4.3). Para saber qual

seria a força de contato que faria o corpo tombar, precisamos colocar a normal na

extremidade esquerda da base. Lembrando que o braço na vertical é igual a 700 mm e o

valor de n continua o mesmo (𝟐𝟐, 𝟑𝟎𝟒𝟖𝑵). Fazendo momento em relação ao meio da base

na parte mais inferior da mesma, temos:

𝐹𝑛. 700 + 0,1196.50 = 𝑛. 100 + 0,5958.250 + 4,116.500

Assim temos: Fn= 6,33 N. Como a força de contato entre o transdutor e a perna é

muito pequena, é muito improvável que o corpo tombe nesta situação:

Figura 4.3 – diagrama de corpo livre considerando a força de contato entre

transdutor e a perna

4.2 Resistência dos materiais

Devido a alta carga que a junta A (figura 4.4) estará submetida, da mesma possuir

uma configuração não muito simples e além disso possuir uma parede fina na parte de trás,

foi feito uma análise das tensões que ela estaria submetida antes de começar a fabricação.

27

Figura 4.4 – junta A

4.2.1 Descrição

Na análise o lado azul da figura 4.5 foi mantido estático enquanto o lado colorido

foi submetido a uma força de 250 N, que é a força necessária para que ocorra o encontro

das partes da junta A.

Figura 4.5 - Análise das deformações máximas que a junta pode ser submetida.

Com a aplicação da força tivemos um deslocamento máximo de 2,0mm na

extremidade da peça, o que faria os dois lados da bipartição se encontrarem (deslocamento

máximo possível). Com isso, obtivemos uma tensão máxima de 1,95 x 10² Mpa (como

pode se ver na figura 4.6). Como a tensão de escoamento do material é 2,75 x 102 MPa,

temos um fator de segurança de 1,41 na região crítica. Assim, vemos que não teremos

problemas com a peça, como, por exemplo, ocorrer uma deformação plástica, até porque é

possível que não se consiga realizar um aperto que faça as duas partes da junta A se

encontrarem.

28

Figura 4.6 – Análise das tensões máximas que a junta pode ser submetida.

29

5 Fabricação

5.1 Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade das ligas de alumínio

O alumínio em geral pode ser facilmente usinado. A energia consumida por unidade

de volume do metal removido é muito baixa.

Apenas o magnésio e suas ligas podem ser usinados com a mesma taxa de energia

consumida e o desgaste da ferramenta raramente é um problema (exceção feita às ligas de

alumínio-silício, nas quais as partículas de silício são altamente abrasivas e desgastam

rapidamente a ferramenta de metal duro).

As temperaturas de usinagem são geralmente baixas e altas velocidades de corte

podem ser usadas. Porém, com relação aos critérios de usinabilidade baseados na

rugosidade da peça e nas características do cavaco, não se pode dizer que o alumínio tenha

usinabilidade alta, pois em condições normais de usinagem o cavaco formado é longo e o

acabamento superficial obtido é insatisfatório.

Porém, bons acabamentos superficiais podem ser obtidos se a velocidade de corte

for suficientemente alta e a geometria da ferramenta adequada.

O alumínio apresenta um modulo de elasticidade de cerca de 1/3 do modulo de

elasticidade do aço. Isto significa que, sob a mesma força de corte, o alumínio se deforma

três vezes mais que o aço. Esse fato tem consequências negativas na obtenção de boas

superfícies usinadas e pode gerar deformações indesejadas. Por este motivo, não se deve

utilizar esforços exagerados na fixação das peças.

Embora algumas ligas de alumínio apresentem um limite de resistência equivalente

ao de alguns aços de baixo carbono em temperatura ambiente, em temperaturas elevadas,

essa resistência é bastante reduzida. Esse fato favorece a usinagem, já que a elevação da

temperatura é inerente ao processo, e as ligas de alumínio, por possuírem alta

condutividade térmica, atraem boa parte do calor gerado.

Sua alta condutividade térmica favorece a usinabilidade e é necessário que a dureza

da liga seja maior que 80 HB, já que, se a dureza for menor que este valor, a tendência à

formação de aresta postiça de corte é muita alta e se torna muito difícil a obtenção de

rugosidade baixas da peça em usinagem.

O coeficiente de dilatação térmica do alumínio, por ser maior que o do aço e do

latão, pode gerar dificuldades em obter tolerâncias apertas.

30

Para se evitar a aparição da aresta postiça de corte e garantir um cisalhamento

perfeito do cavaco, as ferramentas para corte de alumínio possuem aresta afiada com

ângulos bastante positivos.

O material de ferramenta típico para usinagem de ligas alumínio (com exceção de

alumínio-silício) é metal duro classe K sem cobertura.

5.2 Cálculos dos processos de usinagem

Em todos os processos será utilizada uma ferramenta de metal duro K20 já que ele é

usado comumente para tal aplicação como citado anteriormente. Os parâmetro de

velocidade, avanço por dente, geometria da ferramenta, sobremetal e refrigerante foram

escolhidos baseado na referência [1] “DINO FERRARESI., Fundamentos da usinagem dos

metais,5 ed., São paulo, Editora Edgard Blcher Ltda, 2006”.

5.2.1 Base inferior

Processo 1(Fresamento frontal, fresa com diâmetro de 20 mm e 4 dentes)

1ºpasse: ap=10,0mm e ae=20mm, sendo ap a largura de usinagem e ae a penetração

de trabalho. Velocidade de corte vc=270m/min e o avanço por dente fz=0,2 mm/dentes

2ºpasse:ap=10,0mm, ae=19,5mm, vc=270m/min e fz=0,2 mm/dentes. Será usado

refrigerante solúvel.

A rotação é dada por :

𝑛 = 1000. 𝑣𝜋. 𝑑⁄ = 1000𝑥270

20𝑥𝜋⁄ = 4297,18𝑟𝑝𝑚

O avanço é dado por:

𝑎 = 𝑧. 𝑓𝑧 = 4.0,2 = 0,8𝑚𝑚/𝑟𝑜𝑡

Processo 2(Chanfro)

31

tan(14𝑜) =𝑦

80,25→ 𝑦 = 20,01

𝑠𝑒𝑛(14𝑜) =𝑧

80,25→ 𝑧 = 19,41

Nesse processo de fresamento iremos separar em vários passes, os últimos com

espessura de corte menor para conseguirmos um melhor acabamento. Nesse caso, usaremos

uma fresa com 50 mm de diâmetro, largura de 30 mm e 16 arestas. Faremos 3 passes com

espessura de 5mm, 1 de 4 e, por ultimo, um de meio. Sendo cada passe composto por duas

passadas de fresa no mesmo nível com um ângulo de 14º. Em todos os passes temos uma

profundidade de corte de 19,75. Não podemos esquecer a superposição, que no caso na

primeira passada da fresa vai do centro da peça e ficando 10,75mm de fresa para fora; na

segunda passada do mesmo passe, uma parte da fresa de ficar alguns milímetros antes do

centro da peça (por exemplo, 2 mm antes do centro, e assim ficando 8, 75 para fora da peça

e 19,75 na zona de corte) para evitar rebarba e empeno.

Dos passes de 5 mm e 4 mm de espessura (desbaste), vc=90m/min, fz=0,2mm/dentes

e refrigerante solúvel. A rotação é dada por:

𝑛 = 1000. 𝑣𝜋. 𝑑⁄ = 1000𝑥90

50𝑥𝜋⁄ = 572,96𝑟𝑝𝑚


𝑎 = 𝑧. 𝑓𝑧 = 16.0,2 = 3,2mm/rot

32

O passe de 0,5 mm possui uma vc=280m/min, fz=0,1mm/dentes e refrigerante

solúvel. A rotação é dada por:

𝑛 = 1000. 𝑣𝜋. 𝑑⁄ = 1000𝑥280

50𝑥𝜋⁄ = 1782,53𝑟𝑝𝑚


𝑎 = 𝑧. 𝑓𝑧 = 16.0,1 = 1,6mm/rot

Processo 3 (Realizar filete)

Filete de R10 por meio de fresamento tangencial em uma máquina CNC. Nessa

etapa tem-se muito pouco material para se retirar nessa etapa. Logo, será feita em um único

passe.

Processo 4 (Fazer Furo)

Furação com broca:

Selecionamos a broca: tipo W, material HSS, ângulo de ponta ângulo de folga

entre 8º e 10º e ângulo de hélice 45º.

Cálculo do diâmetro da broca db, sendo dad=19=db+2s, onde s é o sobremetal e dad é

o diâmetro do alargador.

Para diâmetros menores que 20,5 mm temos o sobremetal s= 0,5; logo db=19-

1=18mm

Para o cálculo da velocidade de corte, avanço e rotação, devemos fazer uma

interpolação dos dados sugeridos na referencia [1], pois nela temos apenas valores para

diâmetro de 16 mm e 25. A velocidade é um valor entre 40 e 120m/min.

Fazendo interpolação dos valores de avanço para um diâmetro de 18 mm temos,

a=0,34 mm/rot. E para a rotação, encontramos n=1432,83 rpm.

Alargador:

33

Fazendo uma interpolação com os valores encontrados na referência [1] para um

diâmetro 19 mm, encontramos uma rotação n=1259,25 rpm, avanço a=0,39 mm/rot. A

velocidade deve ficar entre 50 e 100 m/min e o refrigerante de ser emulsão em óleo solúvel.

Para o pré-furo de 6mm de diâmetro, fazendo uma interpolação dos valores

encontrados na referência [1] encontramos um avanço de 0,17 mm/rot e uma velocidade de

corte de 4458,00 rpm. Para o pré-furo de 12 mm de diâmetro, usaremos um avanço de 0,25

mm/rot e uma velocidade de corte de 2123 rpm. O refrigerante utilizado é uma emulsão em

óleo solúvel.

5.2.2 Base superior

Processo 1 (Fresamento frontal, fresa com diâmetro de 20 mm e 4 dentes)

1ºpasse: ap=29,5mm e ae=20mm, velocidade de corte vc=270m/min e o avanço por

dente fz=0,2 mm/dentes.

2ºpasse:ap=29,5mm, ae=19,5mm, vc=270m/min, fz=0,2 mm/dentes e refrigerante

solúvel.

A rotação é dada por:

𝑛 = 1000. 𝑣𝜋. 𝑑⁄ = 1000𝑥270

20𝑥𝜋⁄ = 4297,18𝑟𝑝𝑚


𝑎 = 𝑧. 𝑓𝑧 = 4.0,2 = 0,8𝑚𝑚/𝑟𝑜𝑡

Processo 2 (Chanfro)

Os parâmetros são os mesmos do processo 2 da peça 1.

Processo 3 (Fazer filete)

Filete de R10 por meio de fresamento tangencial em uma máquina CNC. Nessa

etapa tem-se muito pouco material para se retirar nessa etapa. Logo, será feita em um único

passe.

Processo 4 (Furação)

34

Os parâmetros são os mesmo do processo 4 da peça.

5.2.3 Braço

Foi necessário apenas lixar a extremidade do tubo que seria fixada a base.

5.2.4 Junta A

Processo 1 (Realizar arredondamento da extremidade com um raio de 19,75)

Este será feito em uma máquina CNC em um único passe, já que a profundidade é

pequena.

Processo 2 (Fazer furo de diâmetro 19mm)



encontrados na referência [1] encontramos um avanço de 0,17 mm/rot e uma velocidade de

corte de 4458,00 rpm. Para o pré-furo de 12 mm de diâmetro, usaremos um avanço de 0,25

mm/rot e uma velocidade de corte de 2123 rpm.

Calculo do diâmetro da broca db, sendo dad=19 = db+2s, onde s é o sobremetal e dad

é o diâmetro do alargador. Temos um sobremetal s= 0,5; logo db=19-1=18mm.

Selecionamos a broca: tipo W, material HSS, ângulo de ponta deºângulo de

folga entre 8º e 10º e ângulo de hélice 45º.


interpolação dos valores encontrados na referência [1], pois nela temos apenas valores para

diâmetro de 16 mm e 25. A velocidade é um valor entre 40 e 120m/min.

Fazendo interpolação dos valores de avanço para um diâmetro de 18 mm temos,

a=0,34 mm/rot. E para a rotação, encontramos n=1432,83 rpm. O refrigerante utilizado é

uma emulsão em óleo solúvel.

Alargador:

35




Processo 3 (Fazer furo de diâmetro 9)


Calculo do diâmetro da broca db, sendo dad=9=db+2s, onde s é o sobremetal e dad é o

diâmetro do alargador. Sobremetal s= 0,5; logo db=9,0-1=8,0mm

Selecionamos a broca: tipo W, material HSS, ângulo de ponta deºângulo de

folga entre 8º e 10º e ângulo de hélice 43º (diâmetro entre 7,5 e 11,8).


interpolação dos dados encontrados na referência [1], pois nela temos apenas valores para

diâmetro de 8 e 12mm. A velocidade de corte é um valor entre 40 e 120m/min.

Para um diâmetro de 8,0 mm temos, a=0,20 mm/rot. E para a rotação, encontramos

n=3184 rpm. O refrigerante utilizado é uma emulsão em óleo solúvel.

Alargador:

Fazendo uma extrapolação com os valores encontrados na referência [1] para um



Processo 4 (Fazer o rasco)

Este será feito com uma serra.

Processo 5 (perfil arredondado)

Fazer o perfil acima em uma máquina CNC com uma velocidade de corte de

200m/min e em um único passe.

5.2.5 Junta B

Processo 1 (Filete)

36

Este será feito em uma máquina CNC em um único passe já que a profundidade é

pequena

Processo 2 (Fazer furo de diâmetro 15mm)



encontrados na referência [1], encontramos um avanço de 0,17 mm/rot e uma velocidade de

corte de 4458,00 rpm.

Calculo do diâmetro da broca db, sendo dad=15,0=db+2s, onde s é o sobremetal e dad

é o diâmetro do alargador. Sobremetal s= 0,5; logo db=15,0-1=14,0mm

Selecionamos a broca: tipo W (pois o material é alumínio), material HSS, ângulo de

ponta ângulo de folga entre 8º e 10º e ângulo de hélice 45º (diâmetro acima de 11,8).



diâmetro de 12 e 16mm. A velocidade é um valor entre 40 e 120m/min.

Fazendo interpolação dos valores de avanço para um diâmetro de 14,0 mm temos,

a=0,29 mm/rot. E para a rotação, encontramos n=1857,5 rpm. O refrigerante utilizado é

uma emulsão em óleo solúvel.

Alargador:




Processo 3 (Fazer furo de diâmetro 9)

Parâmetros Iguais ao processo 3 da peça.

5.2.6 Antebraço

Processo 1 (torneamento do tubo)

37

Para uma ferramenta de metal duro K20 com uma vida de 240min temos uma

velocidade de corte Vc=200m/min.

Precisamos remover 2,5mm de raio. Para desbaste, temos 𝐺 = 10 =𝑎𝑝

𝑎=

2,5

𝑎→ 𝑎 =

0,25. Este avanço está dentro da faixa recomendada para o torneamento de alumínio.

Assim, temos 𝑅𝑎 =𝑎2.1000

8.𝑟, sendo r=0,8mm e a=0,25, encontramos Ra=9,77m. Este valor

é muito alto para o processo de torneamento, então usaremos uma ferramenta com ponta

maior, 1,6 mm de raio de ponta. Assim temos Ra= 4,88, que está aceitável.

Processo 2 (Fazer furo 5 de diâmetro 9mm)


Cálculo do diâmetro da broca db, sendo dad=9=db+2s, onde s é o sobremetal e dad é o

diâmetro do alargador. Sobremetal s= 0,5; logo db=9,0-1=8,0mm.

Selecionamos a broca: tipo W, material HSS, ângulo de ponta ângulo de folga

entre 8º e 10º e ângulo de hélice 43º (diâmetro entre 7,5 e 11,8).



diâmetro de 8 e 12mm. A velocidade é um valor entre 40 e 120m/min.

Para um diâmetro de 8,0 mm temos, a=0,20 mm/rot. E para a rotação, encontramos

n=3184 rpm. O refrigerante utilizado é uma emulsão em óleo solúvel.

Alargador:

Fazendo uma extrapolação com os valores encontrados na referência [1] para um



5.3 Fabricação da peça que fixa o ultrassom

5.3.1 Escaneamento 3D

Existem muitos tipo de dispositivos de escaneamento 3D. Alguns funcionam com

contato (outros sem) a partir de radiações eletromagnéticas ou ultrassom. Os de contato têm

38

a desvantagem de serem mais lentos e de poder existir deformação e desgaste da peça

escaneada e da ferramenta de medição. Neste projeto foi utilizado um equipamento sem

contato com a peça. O escaneamento é feito a partir de feixes de luz que são emitidos sobre

o objeto por uma fonte, e refletidos sobre uma lente sensora (figuras 5.1 e 5.2). Algumas

tecnologias são ideias para digitalização de curta distância e outras para média e longa.

Aqui foi utilizado um escâner de curto alcance, distâncias menores que um metro. Para essa

tecnologia de curto alcance, existem dois métodos: triangulação do laser e luz estruturada

(luz branca). No primeiro, um único feixe de luz é emitido sobre o objeto e esse feixe é

refletido sobre o sensor. Como sabemos a distância e o ângulo entre a fonte e o sensor, é

possível calcular a distância entre o objeto e o escâner. Quando o feixe de luz é refletido

pelo objeto, aquele ponto começa a ser digitalizado. O segundo tem o mesmo principio do

anterior, porém a fonte emite um feixe de luz, luz esta que tem um padrão próprio. Cada

processo tem suas vantagens e desvantagens, a triangulação do laser geralmente é mais

portátil, manos sensível a luz ambiente, e geralmente mais barato; já a luz estruturada é

mais preciso, geralmente possui uma resolução maior, e menor ruído.

Figura 5.1 - esquema do escaneamento 3d por triangulação do laser

39

Figura 5.2 – esquema do escaneamento 3d pelo método da luz estruturada ou luz branca

A máquina que foi utilizada usa o método da luz estruturada. Ele era um scanner

pequeno (dimensões) utilizado para digitalização de peças pequenas. O equipamento possui

uma incerteza de aproximadamente 100 microns. Ele fornece uma digitalização com cores,

fiel a peça, e possui um conjunto de iluminadores para geração de imagens sem sombras e

para diminuir a preocupação com o a luz do ambiente. Ele dispõe de uma base giratória

automática que suporta o objeto que será escaneado.

O processo é realizado da seguinte maneira: o scanner realiza a digitalização de um

trecho do objeto; após terminar esta, a base giratória realiza a rotação da peça e, então,

começa uma nova digitalização; esse processo se repete 6 vezes, até o escaneamento

completo da peça. No processo de escaneamento foram necessários alguns cuidados como a

com luz ambiente. Nosso scanner possui um sistema que diminui a influência da luz

externa sobre o processo de digitalização, mas no geral, este é um parâmetro de grande

preocupação nesse tipo de projeto. O entorno do objeto deve ter o mínimo de coisas por

perto e de preferência com alguma tela para evitar que luz reflita em outras coisas que não

seja o objeto de interesse e prejudique a imagem reproduzida. Para que a digitalização fique

adequada, existe uma faixa ótima de distância entre o objeto e o aparelho.

No nosso escaneamento tivemos que repetir o processo três vezes. Houve problemas

com a distância entre a peça e o scanner e com a posição ideal (direção que deixamos o

objeto) que a peça deveria ser escaneada. Primeiro realizamos a digitalização do ultrassom

deitado (figura5.3), mas com isso não era possível tomar as imagens da parte de baixo que

40

eram de grande importância, e assim teríamos que realizar um grande trabalho gráfico para

reconstituir tal parte. Depois, encontramos uma forma de deixá-lo na posição vertical que

era a ideal. A última fonte de problema foi a base giratória que estava girando de forma

irregular, fazendo com que a imagem se sobrepusesse onde não deveria e partes que

deveriam ser juntas ficarem separadas (figura 5.4 e 5.5). Outro problema que tivemos foi o

fato de que em nosso ultrassom temos uma pequena esfera de vidro na lateral (figura 5.6) e

esta não foi detectada pelo nosso scanner, pois os feixes de luz passam por eles sem ser

refletido.

Figura 5.3 – escaneamento realizado com o ultrassom deitado. Feito dessa forma, toda a

parte de baixo não saia, e esta parte, era de grande importância para a fabricação da peça

Figura 5.4 - imagem com problema de desalinhamento devido ao problema da base

giratória e problema com a distancia focal. (observação: foram feitos escaneamentos com

mais de um ultrassom)

41

Figura 5.5 - imagem com o problema do giro da base giratória

Figura 5.6 – parte lateral do ultrassom no qual temos uma pequena esfera de vidro que

não conseguiu ser detectado pelo escâner

5.3.2 Tratamento da imagem escaneada

No escaneamento, forma-se uma casca, um objeto oco com o formato da superfície

do objeto real, precisa-se torna-lo um objeto sólido. Além disso, é preciso corrigir alguns

pequenos defeitos que aparecem no escaneamento, como foi o caso do suporte ficar entre a

fonte de luz e o objeto. Para realizar esses procedimentos, foi utilizado o software livre

Meshlab. Ele também limpa digitalizações indesejadas, realiza montagens e faz

preenchimento de vazios.

As figuras 5.7 e 5.8 são imagens dos modelos do ultrassom menor antes e depois do

tratamento respectivamente. Já as figuras 5.9 e 5.10 são imagens dos modelos do ultrassom

menor antes e depois do tratamento respectivamente.

42

Figura 5.7 – imagem da digitalização do ultrassom

Figura 5.8 - modelo do ultrassom após tratamento no meshlab, com a base

removida, pontos de imagens no espaço, e o modelo transformado em sólido. Neste

modelo foi feito uma correção por meio de computação gráfica, pois o metal do

suporte que gira fico na frente do ultrassom em uma das tomadas de imagem.

43

Figura 5.9 – imagem da digitalização do ultrassom; vemos que nela existem vários

pontos no espaço que não fazem parte do ultrassom e precisam ser removidos.

Figura 5.10 – modelo do ultrassom após tratamento no Meshlab, com a base

removida, pontos de imagens no espaço, e o modelo transformado em sólido.

5.3.3 Modelagem do suporte

Após o tratamento da imagem, foi necessário modelar a peça que queríamos. No

escaneamento foi formada a estrutura digital do ultrassom e a peça que queremos é uma

forma do formato do ultrassom. O modelo tratado no Meshlab é um modelo de malha

poligonal. Para modelar nossa peça era necessário um software do mesmo tipo, no caso os

software de modelos CAD como AutoCad, SolidWorks e similares não suportam esse tipo

de arquivo, além de ser um tipo diferente de modelo. Modelos em malha poligonal são

muito mais pesados que os modelos tipo CAD. Para realizar nossa modelagem foi

escolhido o software livre Blender. Este, além da modelagem em malha poligonal com alto

44

detalhamento, também realiza animações. Tal software, apesar de livre, é de grande

complexidade e sofisticação, sendo utilizado para fazer grandes filmes e games.

As figuras 2.8, 2.9 e 2.10 são referentes a modelagens feitas no Blender.

As nuvens de pontos produzidos por scanners 3D pode ser usado diretamente para a

medição e visualização no mundo da arquitetura e construção. No entanto, a maioria dos

aplicativos usam modelos 3D poligonais, modelos de superfície NURBS ou

modelos CAD com base nas características (modelos sólidos).

5.3.3.1 Modelos de malha Polygon

Em uma representação de uma forma poligonal, uma superfície curva é modelado

como muitas pequenas superfícies planas (como uma esfera é modelado como uma bola de

disco). O processo de conversão de uma nuvem de pontos em um modelo 3D poligonal é

chamado de reconstrução. A reconstrução modelo poligonal envolve encontrar e conectar

pontos adjacentes por linhas retas para criar uma superfície contínua.

Os modelos poligonais, também chamados de modelos de malha são úteis para

visualização ou para algumas aplicações CAM, mas geralmente são "pesados" (arquivos de

dados muito grandes), e são relativamente difíceis de editar neste formato.

5.3.3.2 Modelos de superfície

O próximo nível de sofisticação na modelagem envolve o uso de um conjunto de

pequenas superfícies curvas unidas. Estas superfícies podem ser NURBS , T-Splines ou

outras representações de curvas. Usando NURBS, nossa esfera é uma verdadeira esfera

matemática.

Estas superfícies têm a vantagem de ser mais leve e mais fácil de manusear quando

exportados para CAD. Modelos de superfície são mais modificável, mas apenas em um

sentido escultural de empurrar e puxar para deformar a superfície. Esta representação se

presta bem a modelagem de formas orgânicas ou de arte.

5.3.3.3 CAD modelos sólidos

Do ponto de vista da engenharia e manufatura, a representação fundamental de uma

forma digitalizada é o modelo CAD, totalmente editáveis. Afinal, o CAD é a "linguagem

comum" da indústria para descrever, editar e produzir a forma dos ativos de uma

empresa. Na DAC, a esfera é descrito por parâmetros que são facilmente editados por

alteração de um valor (por exemplo, o centro da esfera ou do rádio).

http://es.wikipedia.org/wiki/Dise%C3%B1o_asistido_por_computadora

http://es.wikipedia.org/wiki/NURBS

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=T-Splines&action=edit&redlink=1

45

Estes modelos CAD não simplesmente descrever a embalagem ou a forma do

objeto, mas também incorporar a "intenção do projeto" (ou seja, as características

fundamentais e sua relação com outras funções). Um exemplo de a intenção de desenho

além forma parafusos sozinho pode ser um travão de tambor, para ser concêntrico com o

furo central do tambor. Este conhecimento pode guiar a sequência e método de criar o

modelo CAD: Um designer com conhecimento desta relação não seria conceber os

parafusos referenciados ao diâmetro externo, mas dependerá do centro do tambor. Por isso,

um designer de criação de um modelo CAD, incluem tanto a forma e intenção do projeto

em modelo CAD completo.

5.3.4 Impressão 3D

O processo de impressão 3d consiste no deposito sucessivo de material, polímero ou

metal, para formar um objeto previamente definido. Ele pega uma imagem 3D e as “fatia”

gerando camadas de imagem, as quais ele reproduz (a figura 5.11 explica o funcionamento

da impressora utilizada). Esse processo além de automatizado, ele é de simples execução,

ágil e não utiliza materiais tóxicos. Muitas vezes dispensa outros processos de fabricação

após a impressão, exigindo apenas limpeza e acabamento realizados com escova e pinça.

Esse processo de fabricação possui alguns métodos principais: o primeiro, e um dos

mais tradicionais, consistem na sobreposição de diversas lâminas de polímeros, as quais são

coladas por meio do conteúdo de um cartucho especial de cola e cortadas em locais

específicos, camada por camada, conferindo a forma final. A cor do material também pode

ser escolhida (dentre cerca de cinco opções), mas deve ser aplicada em toda a peça. Ao

término do processo, o usuário precisa apenas destacar as partes remanescentes do bloco

principal. O segundo método consiste na aplicação de jatos do material em pó por meio de

um cartucho de impressão, que são unidos de forma seletiva por outro cartucho com

conteúdo adesivo. Esta é a tecnologia de impressão tridimensional é mais rápida existente

atualmente, além de ser também a única que permite a aplicação de finalização colorida nos

objetos (simulando a pintura). Uma variação da aplicação de cartuchos utiliza

fotopolímeros em estado líquido, que são injetados e tratados em camadas por meio de uma

lâmpada UV (ultravioleta). Aqui entra a combinação entre as cores preta e branca para a

criação de tons de cinza, muito populares entre eletro-eletrônicos. Outra mais recente

trabalha com materiais sólidos (chamados de ABS), que são aquecidos em uma câmara e

46

derretidos até o ponto de injeção, sendo aplicado então um método similar ao descrito

acima. Por tratar com um calor realmente elevado, o objeto construído é imediatamente

depositado em uma câmara com água para ser resfriado e finalizado. E por ultimo, voltado

especialmente à produção de objetos realmente pequenos, temos a micro-fabricação

tridimensional em gel, que utiliza lasers focados em diferentes pontos e distâncias para

tratar o material até um ponto em que ele se torne sólido. Todo o restante que não foi

focado é simplesmente lavado ao fim do procedimento, se desprendendo da peça.

Componentes com tamanhos inferiores a 100 micrometros são facilmente produzidos.

Para impressão com polímeros temos algumas opções. As principais são os

materiais PLA (ácido poliláctico, que é criado a partir do processamento de produtos

vegetais) e o ABS (acrilonitrilabutadieno estireno). PLA pode ser compostado em

instalações comerciais ao contrário de ABS, que é derivado de combustíveis fósseis. PLA

é biodegradável, é mais forte e mais rígido do que o ABS e, em geral, os objetos impressos

ficam com aspecto mais brilhante em relação ao ABS. Ao contrário do ABS, o PLA pode

ser lixado e usinado. Ele tem uma temperatura de fusão mais baixo comparado com ABS.

Como material, o PLA tem muito menos deformação contra ABS. Além disso, não é

necessário uma mesa aquecida para imprimir. PLA geralmente goza de detalhes mais

nítidos e cantos, em comparação com ABS, sem o risco de quebrar ou entortar. PLA

também pode ser impresso em velocidades mais elevadas.

Devido às vantagens mencionadas acima, principalmente à pouca deformação e o

fato de poder ser usinado, caso necessário, foi escolhido a impressão com o plástico PLA.

Neste projeto foi utilizado uma impressora MakerbotReplicator2 (figura 5.12). Esta

possui uma incerteza de 100 microns para alta qualidade, a qual foi utilizado no presente

trabalho, 270 para média e 340 para baixa. Foram necessários aproximadamente 12 horas

de fabricação para cada parte da peça. Após a impressão foi necessário a limpeza da peça e

uma remoção de material por meio de usinagem. Esta remoção foi devido ao fato do

scanner não conseguir reconhecer a peça de vidro na lateral do ultrassom. Como foi dito na

seção 5.3.1, nossa peça ficou com uma pequena devido o modelo do suporte ter sido feito

pela subtração da modelagem do ultrassom, e esta, tinha uma cavidade nesta posição.

47

Figura 5.11 – esquema de funcionamento do escâner 3d

(fonte:blos.estadao.com.br/link/como-funciona-a-impressão-3d)

Figura 5.12 – equipamento utilizado para realizar a impressão 3d

O resultado final da impressão estão nas figuras 5.13, 5.14 e 5.15.

48

Figura 5.13 – duas partes do suporte do ultrassom impresso pela impressora à cima do

ultrassom

Figura 5.14 – ultrassom se encaixou no suporte com perfeição

49

Figura 5.15 – Sonda do ultrassom ficou para fora do suporte como deveria

5.3.4.1 Usinagem do suporte de plástico

Os termoplásticos podem ser usinados com as mesmas ferramentas de aço rápido

utilizadas para metal. Para grandes produções e resinas com fibra de vidro, recomenda- se

ferramentas com ponta de pastilha de carbono. O calor excessivo sobre as peças deve ser

reduzido aplicando-se como refrigerante ar ou água. Outros meios, principalmente óleos

derivados do petróleo, não devem ser empregados.

As serras podem ser circular, manual ou de fita. No caso de chapas com espessura

inferior a 3mm recomenda-se o último modelo.

Torneamento: requer ferramentas de aço rápido com angulo de ataque de 15 a 20°. Se

o material da ferramenta for de ponta de pastilha de carbono, o ângulo deve ser menor.

Fresamento: é melhor utilizar ferramentas usuais com 4 canais, ângulo de ataque de 5°

e ângulo de saída de cavaco entre 20 e 25°. Deve-se empregar velocidade de rotação entre

100 e 500 RPM e de avanço entre 0,1 e 0,5 mm/min.

Furação: as brocas de aço rápido devem possuir ângulo de ataque de 5°, mantendo-se

afiadas para conservar a qualidade do corte. A figura e tabela a seguir orientam quanto a

velocidade adequada. A figura 5.16 mostra a geometria da ferramenta indicada e a tabela

5.1 indica os parâmetros indicados.

50

Figura 5.16 – Ângulos recomendados para broca para furo em plásticos

Tabela 5.1 – velocidades recomendadas para furação de plásticos

Será feita a remoção do material por meio de uma furação. Como em nosso

ultrassom a peça de vidro possui 3,55mm de diâmetro, usaremos os parâmetros da tabela

para 3 mm, velocidade da broca de 1750 rev/minuto, velocidade de avanço 0,035.

51

6 Testes do equipamento e discussão

A montagem final do aparelho ficou simples e os elementos se conectaram

perfeitamente. O aparelho se mostrou funcionar bem, ficando bastante estável durante o

exame, e dessa forma gerando uma imagem mais estável em comparação a conseguida no

teste feito de forma manual. Não foi possível fazer uma análise mais detalhada da imagem

devido ao aparelho de ultrassom utilizado ser de um modelo antigo e precisar de uma placa

de captura para gerar vídeos e capturar imagens. O operador do teste se mostrou bastante

satisfeito com os resultados.

Figura 6.1 – montagem final

52

Figura 6.2 – nova forma de realizar os testes

Para melhorar a utilização do aparelho, iremos colocar um contrapeso no antebraço

para que diminua o torque necessário para manter o antebraço estático, e aumentar a

segurança quanto a estabilidade. Além de trocar os parafusos de fixam a parte de baixo do

molde com a parte de cima por grampo para tornar mais prática a montagem. Apesar de

funcionar bem, para um posicionamento mais prático do transdutor, estuda-se a colocação

de mais uma junta de rotação. Outra modificação que será realizada será a colocação de

mais um parafuso, este entrará na junta B, pelo lado oposto ao parafuso já utilizado, para

fazer a restrição do grau de liberdade de translação do antebraço e o grau de liberdade de

rotação no próprio eixo do braço. Esta medida será tomada para evitar a deformação que é

causada no antebraço pelo aperto do parafuso na configuração atual.

Foi verificado também, por meio de cálculos similares aos feitos na seção 4.1, que com

o antebraço tendo um braço de momento de 600 mm, o braço tomba, porém não há

aplicações no atual trabalho que utilize tal comprimento, 100 mm foram deixados para se

colocar um contrapeso e melhorar o equilíbrio do antebraço.

53

7 Conclusão

O mecanismo funciona bem, mas seria bom que tivesse mais graus de liberdade para

facilitar o posicionamento do ultrassom.

O mecanismo ficou bem leve como era desejado, porém poderia ter deixado a base

mais pesada para ganharmos em estabilidade. Para diminuir a necessidade do equipamento

ser leve, poderia ter sido colocado rodas na base.

A junta apesar de ser funcional e prática, ele deforma e a avaria o antebraço, para

resolver o problema, iremos colocar mais um parafuso, e assim teremos um parafuso que

vai travar o giro do antebraço, e outro que vai impedir a translação do mesmo.

A peça de fixação ficou adequada a partir do escaneamento 3d, tendo um encaixe

muito bom. A mesma peça poderia ser utilizada em outros antebraços. E o modelo de

fabricação do suporte será seguido para os demais cabeçotes de ultrassom.

Usinar o antebraço não foi uma decisão a melhor decisão, já que houveram muitos

problemas para realizar a usinagem, pois trata-se de um corpo esbelto de paredes finas de

um material com grande elasticidade, e os ganhos com redução de peso e estabilidade

foram muito pequenos já que a densidade do alumínio é muito pequena.

54

8 Referências Bibliográficas

[1] DINO FERRARESI., Fundamentos da usinagem dos metais,5 ed., São paulo, Editora

Edgard Blcher Ltda, 2006.

[2] Blender tutorial. Disponível em:

http://www.blender.org/manual/getting_started/about_blender/license.html Acessado em:

03 jan. 2015

[3]informações impressora 3d. Disponível em:

http://computer.howstuffworks.com/3-d-printing.htm Acessado em: 10 dez. 2014

[4]Scanear 3d. Disponível em:

<http://es.wikipedia.org/wiki/Esc%C3%A1ner_3D> Acessado em: 10 dez. 2014

[5] Meshlab tutorial. Disponível em:

<http://www.instructables.com/id/Using-Meshlab-to-Clean-and-Assemble-Laser-Scan-

Dat/?lang=pt>Acessado em: 10 nov. 2014

http://www.blender.org/manual/getting_started/about_blender/license.html

http://computer.howstuffworks.com/3-d-printing.htm

55

9 Anexos

9.1 Manual de fabricação e montagem

A seguir, segue o manual de fabricação e montagem das peças:

39,5 k6

39,

5

20

9,5

200

14° 19

11,

7

R10

12

39,5 3

9,5

H7

Manual de Fabricação:Rasgo central feito a partir de fresamento tangencial;1.Chanfros executados a partir de fresamento tangencial;2.Filetes feitos com fresamento tangencial;3.Furo com 19 mm de diâmetro.4.

Observação: a peça bruta é um barra de seção quadrada de 39,5 mm.

As tolerâncias foram determinadas para que houvesse um ajuste forçado entre as peças que se acoplam

Nome da instituição: Universidade Federal do Rio de JaneiroProjeto: Braço mecânico para aplicação na área biomédicaCurso: Engenharia Mecânica

Nome: Luiz Fernando de O. M. Nunes

Escala: 1: 2Quantidade: 1

Dimensão:mmPeso: 0,596 kgf Material: Alumínio 6351

Nome da peça: Base inferior

Data:25/11/14

Assinatura:

Rugosidade Supercial geral:

Tolerâncias gerais:

furo: H7; ângulos: +- 2;dimensões lineares: J12

3,2 <Ra <6,3

29,

5 3

9,5

39,5 k6

11,

7

14°

40

80,3 80,3

39,5 H7

R10

12 12

19

Manual de fabricação:Rasgo central feito a partir de um fresamento tangencial;1.Chanfros executados a partir de fresamento tangencial;2.Filetes feitos com fresamento tangencial;3.Furo com 19 mm de diâmetro.4.

Observação: O material bruto é uma barra de seção quadrada de 39,5 mm com lado. As tolerâncias foram especificadas para que tenhamos um ajuste forçado onde as peças se acoplam a outras.



Escala: 1:2Quantidade: 1


Nome da peça: Base superior

Data:25/11/14

Assinatura:



furo: H7; ângulos: +- 2;dimensões lineares: J12

3,2 <Ra <6,3

9

19,

8 39,

5

19,8

39,5

27,5 33,8

19,

8

43,8

19,

5

15

R10

Sequência dos processos de Fabricação: 1. Fazer os filhetes de raio 10mm por meio de um fresamento tangencial; 2. Realizar furo maior de 15mm de diâmetro; 3. Fazer furo de 3mm de raio.

Observação: O material bruto é uma barra de seção quadrada com 39,5 mm de lado. As tolerâncias foram especificadas para que tenhamos um ajuste com folgas onde as peças se acoplam a outras.




Dimensão:mmPeso: 154 kgf Material: Aluminio 6351

Nome da peça: Junta B

Data:25/11/14

Assinatura:



furo: H9;dimensões lineares: J12

3,2 <Ra <6,3

35,5

39

,5

9

12,5

59,3

19,

8

39,

5

59,3

R9,6

R15,1

24,

3

5 18,8 25,7

39,

5

R19,8

Sequência dos processos de fabricação: 1. Realizar o arredondamento da extremidade com raio de 19,8; 2. Realizar retirada de material com adoçamento de raio 10 mm; 3. Realizar furo maior de 9,5mm de raio; 4. Fazer furo de 4,5mm de raio; 5. Fazer o rasco que vai até o furo com uma serra.

Observação: O material bruto é uma barra de seção quadrada com 39,5 mm de lado. As tolerâncias foram especificadas para que tenhamos um ajuste com folgas onde as peças se acoplam a outras.





Nome da peça: Junta A

Data:25/11/14

Assinatura:

Rugosidade superficial geral:

Tolerância geral:

furo: H9;dimensões lineares: J12

3,2 < Ra< 6,3

15

13,1

600

9

21,

6

15,

6

Sequência dos processos de Fabricação: 1. Realizar torneamento para retirar 2,3mm de raio do tubo; 2. Fazer furos de 3mm de raio emu ma das extremidades.

Observação: O material bruto é uma tubo com diametro externo de 19 mm de diâmetro e interno de 13,1 mm de diâmetro. As tolerâncias foram especificadas para que tenhamos um ajuste com folgas onde as peças se acoplam a outras.




Dimensão:mmPeso: 0,73 kgf Material: Alumínio 6061 T6

Nome da peça: Antebraço

Data:25/11/14

Assinatura:



furo: H9; tubo: d8dimensões lineares: J12

3,2 <Ra <6,3

13,1

19

700

Manual de fabricação: Nesta peça é para realizar apenas o lixamento da parte inferior, onde será feito o encaixe com a base (da extremidade até 30 mm acima), até as peças se acoplarem.

Observação: a peça bruta é um tubo com diametro de 19mm extreno e 13,1 mm interno. As tolerâncias foram determinadas para que houvesse um ajuste forçado entre as peças que se acoplam.



Escala: 1: 1Quantidade: 1

Dimensão:mmPeso: 0,298kgf Material: Aluminio 6061 T6

Nome da peça: Braço

Data:25/11/14

Assinatura:

Rugosidade Supercial geral: Ra=12

Tolerância: Parte inferior do Tubo: k6dimensões lineares: J14

3

2

1

4

7

6

5

89

base inferior

base superior

braço

junta A

junta B

antebraço

parafuso M10 para aperto manual

tampa plástica 1

tampa plástica 2

alumínio 6351

Quantidade:1

alumínio 6351

alumínio 6061 T6

alumínio 6351

alumínio 6351

alumínio 6061 T6

aço 1010

plástico

plástico Nome da instituição: Universidade Federal do Rio de Janeiro

Nome do projeto: Braço mecânico para uso na aréa biomédica

Dimensão: mm Data:25/11/14

A peça 1 se acopla a peça 2 por meio de um ajuste forçado.A base, formada pela peça 1 acoplada a 2, se encaixa a peça 3, braço, também por

meio de um ajuste forçado.A peça 4, junta A, se acopla a peça 3 com o aperto do parafuso, peça 7.A peça 5, junta B, se acopla a peça 4 também pelo aperto do parafuso, peça 7.A peça 6, antebraço, se fixa a peça 5 devido o aperto do parafuso, peça 7.As peças 8 e 9 são fixas respectivamente a peça 3 e 6 por encaixe.

Manual de montagem

D

E

F

C

1 2 3 4

B

A

321 5

C

D

4 6 7 8

A

B

Braço mecânico para uso na área

biomédicaMontagem final

PESO TOTAL: 1,856 kfg

A3

FOLHA 1 DE 1ESCALA 1: 2

DES. Nº

TÍTULO:

materialpeça denominação Quant.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

1

1

1

1

1

1

1

1

Documents

PROJETO E FABRICAÇÃO DE UM BRAÇO MECÂNICO … · iii Nunes, Luiz Fernando de Oliveira Mello Projeto e fabricação de um braço mecânico para sonda de ultrassom médico. /Luiz