MODELAGEM EM CAD TRIDIMENSIONAL PARAMÉTRICO DO

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MODELAGEM EM CAD TRIDIMENSIONAL PARAMÉTRICO DO EIXO
ESTRIADO DE UMA BOMBA DE PISTÕES
Emerson Luís JUNQUEIRA
FATEC Pindamonhangaba
[email protected]
Luiz Eduardo Nicolini do PATROCÍNIO
UNITAU
[email protected]
Valesca Alves CORRÊA
UNITAU
[email protected]
RESUMO
Este artigo tem por finalidade descrever o
modelamento
geométrico
em
CAD
tridimensional do eixo principal de uma
bomba de pistões. Todo o modelamento
geométrico foi desenvolvido com um
software de ampla utilização em projetos
mecânicos. Este projeto foi objeto de estudo
em outros trabalhos acadêmicos, mas sem
foco no desenvolvimento computacional. A
proposta deste artigo não é de um
redimensionamento, mas de uma maneira
computacional de criar, simular e
documentar este projeto já existente na
comunidade acadêmica. O programa
selecionado para este desenvolvimento é o
Autodesk Inventor versão 2013. Esta versão
do programa foi obtida na comunidade
acadêmica de seu desenvolvedor e encontrase disponível para download gratuito sob
cadastramento e afirmação que será utilizado
por acadêmicos para fins exclusivamente
educacionais, que é foco deste artigo. Os
resultados mostrados neste trabalho foram
obtidos por modelamento geométrico
tridimensional, cuja utilização do recurso
computacional demonstrou vantagens em
relação ao tempo de elaboração do desenho e
com a opção de modificação simplificada
dos itens revisados durante o projeto. O
resultado esperado é que as ferramentas
CAD disponibilizadas pelo software
propiciem ganho de tempo e riqueza em
informações técnicas a respeito das
dimensões do projeto original, dê suporte no
levantamento de dados pendentes ou
incompletos e torne mais fácil o
modelamento geométrico de elementos
normalizados comuns para a montagem e
transmissão de força e movimento das partes
internas que fazem parte deste conjunto
mecânico.
Palavras-Chave: Autodesk Inventor®,
Projeto mecânico, Prototipagem digital,
Projeto paramétrico, CAD.
Revista RETC – Edição 13ª, outubro de 2013, página 133
ABSTRACT
This article intended to describe the 3D
CAD geometric modeling of the piston
pump main axis. A software commonly used
in mechanical design developed the entire
geometric modeling. This project was the
subject of study in others academic papers
but without focus on developing by
computer. The purpose of this article is not a
new sizing, but is a computational
developing, simulating and document of this
project that already exists in the academic
community. The program selected for this
development is the Autodesk Inventor 2013
version. This program version was obtained
from the academic community by its
developer and is available for free download
under the registration statement and for
educational purposes only, which is the aim
of this article. The results showed in this
paper were obtained by 3D geometric
modeling, the computational resource
demonstrated advantages in relation to the
preparation time of the design and the
simplified modification options of the part
reviewed during the project. The expected
result is that the tools provided by the CAD
software supplies time gain, more technical
information about the original design
dimensions, supports the data collection
pending or incomplete and make easier the
modeling of standard common elements for
assembling and force and motion
transmission of the internal mechanical
assembly.
Keywords: Autodesk Inventor®, Mechanical
design, digital prototyping, parametric
design, CAD.
INTRODUÇÃO
Atualmente não é comum nos depararmos
com instituições que sustentem seu poder
competitivo diante da concorrência e que
continuem utilizando ferramentas manuais
para a criação e validação de projetos
mecânicos.
Existe um leque significativo de opções de
programas CAD, disponíveis no mercado de
recursos
computacionais,
que
são
largamente aplicados na engenharia, desde
as versões acadêmicas até as de uso
profissional. É possível identificar versões
básicas
e
mais
completas,
cujas
características específicas variam em função
dos interesses e disponibilidade de
investimento da organização que opta pela
utilização destas ferramentas.
Há um ganho significativo de tempo de
elaboração, qualidade e precisão de projetos
mecânicos quando são empregados recursos
CAD tridimensionais paramétricos de
maneira adequada. Tais vantagens estão
relacionadas diretamente à precisão no
modelamento 3D, elevada produtividade,
devido à facilidade de edição pelos recursos
paramétricos e, no caso de versões com
simulações dinâmicas e estáticas, há
economia significativa na confecção de
protótipos físicos. Esta última opção é uma
grande evolução na validação de projetos
mecânicos dos últimos anos, tendo em vista
que as ferramentas disponíveis são de
operação bastante intuitiva e não requerem
conhecimentos aprofundados de FEA, sigla
parafinite element analysis ou, em
português, análise de elementos finitos.
Quando uma instituição, de fins lucrativos
ou mesmo de pesquisa científica, adota o
CAD tridimensional paramétrico em seus
projetos, os resultados vão além dos ganhos
em tempo e economia. Além destas opções
mais significativas ainda há recursos
adicionais que auxiliam no marketing do
produto. Até mesmo as tecnologias CAD
paramétricas mais simples são capazes de
gerar apresentações gráficas com aspecto
visual e detalhamento realístico que
impressionam tanto os profissionais da área
quando aos clientes que não estão
habituados na prototipagem digital.
Tais ganhos em relação à precisão, tempo e
qualidade tornam justificáveis os custos
iniciais na aquisição das licenças de alguns
módulos mais completos destes produtos,
incluindo o treinamento específico da equipe
de desenvolvimento e validação de projetos
mecânicos.
A Aberdeen Group (2006) especifica alguns
benefícios no uso de CAD para esta
aplicação, são estes:
a) Grandes organizações incrementaram
seus ganhos, obtiveram redução de
custos, conseguiram antecipar datas
de lançamento e atingiram metas de
qualidade de seus produtos em 84%
ou mais.
b) Empresas que desenvolvem projetos
mecânicos produzem 1,4 menos
protótipos
em
comparação
às
tradicionais.
c) Os benchmarks estão estimando uma
média de 6,1 menos pedidos de
modificações do que desenvolvedores
comuns.
d) Em resumo, os líderes do mercado
desenvolvem e colocam no mercado
produtos de maior valor agregado em
até 99 dias de antecedência e com
uma economia de desenvolvimento
chegando até US$ 50,637.
O objetivo deste trabalho é demonstrar como
desenvolver o modelamento geométrico
tridimensional paramétrico do eixo estriado
de uma bomba de pistões axiais. No decorrer
deste artigo será demonstrada uma
metodologia recomendada para obter este
resultado e ficará evidenciado de como o
modelo 3D paramétrico é capaz de prever
detalhes que normalmente são detectados na
fabricação de protótipos iniciais de um novo
produto.
REFERENCIAL TEÓRICO
Shigley, Mischke e Budynas (2005)
estabelecem que o completo ciclo de um
projeto mecânico tem, por ponto de partida,
o reconhecimento de que é necessária uma
solução para uma situação problema que
pode ser resolvida com um projeto
mecânico apropriado.
Seguido por várias iterações, o ciclo
encerra-se com a apresentação da solução
desenvolvida para atendimento da demanda
inicial. De acordo com a finalidade do
projeto, várias etapas podem ser novamente
inseridas no decorrer da vida útil do projeto,
desde a sua partida até o seu final. Entre
elas podem-se assinalar as seguintes:
 Reconhecimento da necessidade.
 Definição do problema.
 Síntese.
 Análise e otimização.
 Avaliação.
 Apresentação.
A figura 1 mostra estas fases de projeto e
suas respectivas iterações.
Figura 1 - As fases do projeto e iterações
Fonte: Shigley, Mischke e Budynas (2005)
Aberdeen Group (2006) afirma que, com o
uso adequado do CAD, é possível obter
melhores resultados com a utilização de
menos recursos. Desenvolvedores que
consideram alterações no método de criação
dos seus projetos nada mais fazem do que
atender às demandas de seus clientes e dos
concorrentes, desenvolvendo produtos mais
inovadores e melhorando sua eficiência
operacional.
O quadro um mostra as maiores cobranças
estratégicas e comerciais a que estão
sujeitas as empresas dedicadas ao projeto de
produtos em geral.
Quadro 1 - Principais Pressões Comerciais e Ações Estratégicas (2006)
Fonte: Aberdeen Group (2006)
Shigley, Mischke e Budynas (2005)
afirmam que programas CAD oferecem a
geração de modelos tridimensionais (3D)
com
representações
ortogonais
bidimensionais (2D) de forma automática.
Também
existe
a
economia
em
prototipagem, que se anteriormente era um
trabalho de confecção quase que
completamente manual, agora pode ser
desenvolvida
de
forma
totalmente
computacional,
com
modelos
tridimensionais, chegando ao ponto de
poderem ser obtidos modelos físicos por
prototipagens rápidas, por exemplo, a
estereolitografia.
Além do modelamento tridimensional, é
grande
a
oferta
desoftwares
CADparamétricos. Segundo a Autodesk®
Wikihelp (2013), o termo paramétrico faz
referência às relações que o software CAD
cria entre todos os elementos constantes do
modelo. Tais vínculos são tanto geométricos
(alinhamentos,
paralelismos,
concentricidades, entre outros) como
dimensionais.
Tal relação ocorre quando o usuário define
que a geometria de uma aresta circular que
dará origem a um furo “A” tem um diâmetro
igual a duas vezes a geometria de uma aresta
circular que formará um outro furo B. Se o
furo “B” for alterado para uma dimensão
maior ou menor, o vinculado “A” manterá a
relação, ajustando-se a alteração. Isso ocorre
tanto neste como em todas as outras relações
paramétricas que dependem de uma
geometria original de referência. Tais
vínculos permitem uma fácil coordenação e
gerenciamento de revisões.
De acordo com a Autodesk® Wikihelp
(2013), algumas relações são criadas de
forma automática pelo programa ou podem
ser facilmente inseridas a critério do
projetista. Em softwares CAD, os números e
expressões matemáticas que definem as
dimensões ou características geométricas são
denominados parâmetros. Por este motivo
usa-se o termo paramétrico para o tipo de
software que tem esta capacidade. O
benefício principal da parametrização é a
produtividade, especialmente considerando-
se a facilidade na alteração de qualquer
parâmetro. Isto pode ser feito a qualquer
momento e em qualquer ponto do projeto.
Quando isto ocorre, o programa coordena
aquela modificação automaticamente, por
todos os componentes que compõem o
conjunto.
classes reside nos módulos que são
adquiridos em conjunto com o programa a
ser adotado. Em suma, softwares high-end
já são desenvolvidos com módulos mais
completos, que partem do CAD 2D até o
CAM (Manufatura), que engloba parte da
programação CNC.
Essas vantagens são confirmadas por
Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007, apud
Speck, 2001), quando afirmam que a
modelagem paramétrica possibilita a
confecção de modelos com referências
dimensionais vinculadas com variáveis. Isso
torna possível a atualização praticamente
automática da geometria tridimensional
após uma alteração feita em quaisquer
ambientes do software.
Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007)
afirmam que, entre as diversas formas de se
modelar geometrias sólidas, as que mais se
destacam são:
 CSG
(Constructive
Solid
Geometry).
 B-Rep
(Boundary
Representation).
 Híbrida.
 PorFeatures.
 Paramétrica.
Há opções interessantes de programas CAD,
com os mais variados recursos, que afetam
diretamente os custos envolvidos no
desenvolvimento de projetos mecânicos.
Como um recurso básico, existe a classe de
programaslow-end, que é limitada por ser
capaz de gerar projetos 2D e 3D não
paramétricos. Além deste tipo, é possível
encontrar outros dois que estão voltados ao
objetivo deste artigo que, de acordo com
Villermann (2008), são:
 Mid-range
(Ex.
Autodesk®
Inventor, SolidWorks Office, Solid
Edge);
 High-end (Ex. CATIA, NX,
Pro/ENGINEER).
estabelecem que a maioria dos programas
CAD 3D da atualidade se baseiam em
modelamento
porfeatures
de
forma
paramétrica. Pode-se definir features
(características ou operações) como
elementos físicos tridimensionais dos
modelos que têm relação com a engenharia.
A
aplicação
progressiva
destas
características, denominadas features, tem
por resultado o modelo geométrico.
descrevem as principais recomendações
para o desenvolvimento do modelamento
tridimensional (quadro 2).
Basicamente a diferença entre estas duas
Quadro 2 - Principais recomendações para a modelagem 3D
Fonte: Foggiatto, Volpato e Bontorin (2007)
Não existe uma única maneira de se
conseguir alcançar o modelo desejado. Há
distintas formas para se obter a mesma peça,
cada uma com suas respectivas vantagens e
desvantagens.
A
Dassault
Systèmes
Solidworks
Corporation (2010) estabelece que a
intenção do projeto é fator primordial para
determinação de como o modelo será gerado
e, caso necessário, editado. A relação entre
as operações e a ordem em que foram
inseridas vão ajudar na definição de tal
intenção de projeto.
Os formatos básicos de um modelo 3D, em
suma, se originam de geometrias 2D. A
escolha ideal deste perfil será vital para
tornar a modelagem tridimensional mais
simplificada e, consequentemente, facilitará
qualquer eventual edição que seja
necessária. A figura 2 exemplifica casos de
escolha de perfil para modelagem. Segundo
este método, a escolha correta do perfil
proporciona, em uma etapa inicial, as
características mais marcantes do modelo.
estabelecem
que
uma
opção
de
modelamento é o uso de geometrias sólidas
simples em sua geometria inicial, por
exemplo, prismas e cilindros. Ao optar por
esta metodologia, é possível uma redução do
nível de parentesco excessivo entre os
recursos do modelo.
Tais vínculos acontecem quando há um
número grande de características geradas a
partir de um mesmo esboço básico. Esta
condição dificulta as revisões que,
porventura, sejam necessárias. Outro
cuidado é a seleção de um perfil mais
simples, que tenha similaridades com a
geometria objetivada do modelo de forma
seja possível encontrar tais detalhes da peça
neste contorno inicial. As figuras 3 e 4
fazem uma comparação das diferentes
maneiras de se modelar geometricamente a
mesma peça.
Figura 2 - Escolha do melhor perfil
Fonte: Dassault Systèmes Solidworks Corporation (2010)
Para o modelamento do eixo deste artigo foi utilizado o método partindo de um perfil simples
(figura 4).
Figura 3 - Modelagem a partir de geometria complexa
Figura 4 - Modelagem a partir de geometria simples
MATERIAL E MÉTODOS
Foi adotado o softwareAutodesk® Inventor
2013
para
elaboração
do
modelo
tridimensional. Este programa conta com
uma versão gratuita, disponibilizada pelo seu
desenvolvedor,
específica
para
fins
acadêmicos (AUTODESK, 2012). Tal
software está enquadrado na classificação
conhecida no ambiente do projeto
computacional
como
mid-range
(VILLERMANN, 2008), que é capaz de
modelar
tridimensionalmente,
simular
dinamicamente e validar por FEA (Análise
de Elementos Finitos) (CRUZ, 2009).
Aplicando somente este programa, o eixo
foco
do
trabalho
foi
modelado
tridimensionalmente. Este componente é
parte de um projeto original, desenvolvido
em ambiente acadêmico, de uma bomba de
pistões axiais cuja documentação completa
encontra-se disponível na dissertação de
mestrado desenvolvida por Ferreira (2004).
Originalmente, tanto o eixo quanto toda a
bomba foi desenvolvida em software CAD
low-end, que não é capaz de modelar
geometrias paramétricas. A figura 5 mostra
a montagem completa do conjunto
desenhado inteiramente em 2D no software
low-end AutoCAD. É possível identificar
facilmente o eixo estriado como elemento
central da bomba. Na figura 6 podemos ver
o teste de funcionamento da bomba
confeccionada por Ferreira (2004).
Figura 5 - Bomba de pistões axiais
Fonte: Ferreira (2004)
Figura 6 - Teste funcional da bomba
O dimensionamento completo do eixo, feito
originalmente por Ferreira (2004), pode ser
visto na figura 7.
O modelamento 3D paramétrico do eixo
foco deste artigo foi desenvolvido por
features, a partir de geometrias simples,
conforme recomendado por Foggiatto,
Volpato e Bontorin (2007) e ilustrado na
figura 4, mostrada anteriormente.
Figura 7 - Dimensionamento original do eixo
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Sendo assim, o plano XY foi o adotado para
a geometria base.
No início da modelagem tridimensional, foi
preciso a definição do plano para a
geometria base. Por se tratar de um modelo
por revolução, simétrico em relação aos três
planos referenciais, a escolha do plano
inicial não era relevante para a modelagem.
Em se tratando de superfície por revolução,
foi traçado o contorno da peça (figura 8)
limitado pela linha de centro, utilizada
posteriormente como eixo de rotação para
aplicação da primeira operação: a revolução
em 360° da geometria base inicial.
Figura 8- Geometria inicial feita no plano XY
Fonte: elaborada pelos autores
Concluída a primeira operação, já estava
disponível um corpo sólido na área de
trabalho (figura 9) para prosseguimento com
as demais operações com o objetivo de se
obter o modelo conforme as dimensões do
projeto original.
A etapa seguinte foi a aplicação dos
chanfros, de acordo com a figura 10. No
desenho original não estavam previstas as
dimensões de um dos chanfros que está na
extremidade da estria. Sendo assim, ficou
convencionado como chanfro deste ponto o
valor de 2,5 mm x 45°, medida utilizada na
outra extremidade do mesmo diâmetro.
Revista RETC – Edição 13ª, outubro de 2013, página 141 Figura 9 - Primeira feature da revolução da geometria inicial
Figura 10 – Aplicação das features dos chanfros
O projeto original desenvolvido por Ferreira
(2004) não contemplava as informações a
respeito das duas extremidades estriadas do
eixo. Sendo assim, convencionou-se o
padrão de estrias segundo a especificação
DIN 5480. As dimensões aplicadas neste
caso foram de 32 X 2 X 14 mm para o
menor diâmetro e 47 X 2 X 22 mm para o
maior diâmetro. Não foi preciso consultar a
norma em si. O software utilizado possui
uma biblioteca de elementos padronizados
em geral, incluindo as estrias, conforme a
norma DIN citada. Para a operação de
geração das estrias, foi utilizada uma
ferramenta denominada pelo programa
como Design Accelerator (Acelerador de
projeto), conforme mostrada na figura 11.
Tal ferramenta calcula os parâmetros para
criação de partes dos componentes
mecânicos de forma automática, respeitando
os limites dimensionais da norma de
referência (CRUZ, 2009).
Modeladas as estrias foi preciso ajustar as
medidas informadas no projeto original. O
programa é capaz de prever o corte residual
causado pela saída da ferramenta a ser
utilizada para usinagem das estrias da peça.
Para o menor diâmetro, um raio de 5 mm do
projeto original foi insuficiente na
prevenção de que a ferramenta cortasse uma
parte do eixo sem relação com a estria
(figura
12).
Para
resolver
esta
inconveniência foi preciso modificar tal raio
para 7 mm, solucionando totalmente o
problema de forma a não afetar o
funcionamento do eixo (figura 13).
Revista RETC – Edição 13ª, outubro de 2013, página 142 Figura 11 - Estrias modeladas pelo acelerador de projetos
Figura 12 – Previsão do corte residual na usinagem
Figura 13– Ausência do corte residual na usinagem
Para conclusão do modelo, foi aplicado o
material e acabamento na peça. O projeto
original não definiu qual o material
utilizado
no
eixo.
Sendo
assim,
convencionou-se o aço como material de
referência. A atribuição de matéria-prima no
programa é bastante simples, bastando
indicar, pela biblioteca do software, o termo
steel (aço) para o modelo desenvolvido.
Com esta informação o programa calcula
algumas
propriedades
físicas
automaticamente. A massa desta peça,
calculada pelo programa, foi de 3,773 kg.
Para acabamento foi aplicado o Black
Chrome(cromado escuro) e foi feita a
renderização, em perspectiva cônica,
obtendo uma imagem mais realística da
peça, mesmo se tratando de um modelo
digital.
detalhes sejam gerados. Isso obriga o
usuário a definir os detalhes pendentes para
conseguir prosseguir com o modelamento,
evitando a falta de informações, como foi o
caso do modelamento deste eixo.
Com a mesma facilidade em que foi obtida a
imagem renderizada, o desenho detalhado
foi gerado pelo ambiente de detalhamento
do software adotado. A figura 15 mostra o
resultado do desenho técnico detalhado, que
pode ser comparado com a figura 7, do
projeto original do mesmo eixo, porém,
elaborado em software CAD low-end.
c) Modelo
tridimensional
com
propriedades físicas definidas. O software
CAD
adotado
também
forneceu
informações de massa e características
físicas do modelo. Tais informações podem
ser usadas para, desde uma simples
definição da massa de todo o conjunto da
bomba de pistões ou, numa aplicação mais
avançada, simulações dinâmicas e estáticas
para previsão do comportamento do
conjunto com seus demais componentes.
Analisando as etapas de modelagem e o
resultado obtido, ficam evidentes as
vantagens
na
utilização
do
CAD
tridimensional
paramétricas
no
modelamento geométrico do eixo foco deste
artigo. Dentre as vantagens percebidas,
podem-se destacar as seguintes:
a) Definição
de
dimensões.
O
modelamento por feature paramétrico exige
que todos os parâmetros estejam
estabelecidos. Informações pendentes como
medidas de chanfros ou mesmo a
especificação das estrias impedem que os
b) Previsão
das
consequências
do
processo de fabricação. O corte residual
devido ao pequeno raio de saída da estria
não estava previsto no projeto original,
elaborado em CAD low-end. O programa
mid-range utilizado previu qual o resultado
da usinagem da estria e permitiu ao
projetista alterar os parâmetros necessários
para evitar o inconveniente. Certamente isso
seria detectado e corrigido depois,
provavelmente na confecção do protótipo
físico, mas com consequente perda de
tempo e matéria-prima.
d) Renderização de imagens e vídeos.
Apesar de ter sido aplicada somente a
renderização da imagem do eixo, em um
conjunto montado no mesmo ambiente
computacional é possível gerar um vídeo do
funcionamento do dispositivo. Tais recursos
têm aplicação direta na apresentação do
projeto, em que é possível entender o
funcionamento do conjunto de forma visual
em imagens ou vídeos.
Revista RETC – Edição 13ª, outubro de 2013, página 144 Figura 14 - Eixo renderizado em perspectiva cônica
Figura 15–Detalhamento do eixo
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O mercado de soluções computacionais
oferece uma grande variedade de recursos
CAD 3D paramétricos para aplicação em
projeto mecânico.
O custo inicial da adoção deste tipo de
ferramenta pode ser alto, dependendo de
quanto este tipo de software pode agregar no
valor dos projetos elaborados. É seguro
afirmar
que,
para
organizações
desenvolvedoras de soluções em projetos
mecânicos, ou mesmo as de fins puramente
científicos, o CAD 3D paramétrico pode
afetar significativamente o tempo de
elaboração, qualidade do projeto e,
consequentemente, redução dos custos
envolvidos. Tal redução, a médio e longo
prazo, é suficiente para justificar um
investimento inicial em licença e
treinamento operacional.
Vale lembrar que somente a aquisição da
ferramenta não é suficiente para se atingir os
objetivos previstos. Caso a metodologia de
elaboração de projetos não esteja muito bem
definida, por exemplo, o modelamento por
adição de geometrias (features) mais simples
até um modelo final melhor elaborado. O
tempo gasto para elaboração e a
complexidade de uma eventual revisão de
um projeto mal embasado podem afetar
negativamente o resultado obtido. Mesmos
nestas condições, os recursos CAD midrange ou mesmo high-end apresentam
vantagens significativas em relação aos
softwares low-end, ainda muito utilizados.
O modelo geométrico tridimensional obtido
facilita o entendimento do componente e
permite a previsão das consequências de seu
processo de fabricação. Além disso, o
modelo que tem sua matéria-prima definida
conta com as informações sobre suas
propriedades físicas, o que possibilita as
simulações dinâmica e estática que, juntas,
garantem a validação do projeto com
consequente economia na redução da
confecção de protótipos físicos.
REFERÊNCIAS
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de elementos em um
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<http://wikihelp.autodesk.com/Revit/ptb/2012/H
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CRUZ, Michele David da. Autodesk Inventor
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