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TÍTULO DO ARTIGO SOMENTE SUBSTANTIVOS
PRÓPRIOS COM AS PRIMEIRAS LETRAS EM
MAIÚSCULO
Felipe Pereira dos Santos 1 Pedro Oliveira Netto Crego 2 Carlos Alberto Silva de Miranda 3 Paulo Henrique Campos Prado Tavares 4 RESUMO Com o aumento e aceleração da tecnologia, o mercado de bicicletas convencionais de Mountain Bike vem sofrendo uma grande migração para o mercado de bicicletas elétricas, também conhecidas como bicicletas assistidas, ou e-bikes. O objeto deste trabalho é o desenvolvimento de um produto próprio e inédito de uma empresa de pequeno porte de Belo Horizonte, que atua no segmento de desenvolvimento e comercialização de produtos para bicicletas. O produto em questão, um protetor de bateria para bicicletas elétricas, cuja finalidade é proteger a parte inferior do quadro, foi desenvolvido para um modelo especifico de e-bike. São relatados neste trabalho os procedimentos relacionados à engenharia do produto, onde foram conduzidas as etapas de definição de materiais e processos, escolha do material, descrição de fatores do processo de fabricação que interferem no projeto, coleta de medidas, modelagem paramétrica e testes realizados em ambiente de análise por FEM ( Finite Elements Method – ou Método de Elementos Finitos), este último utilizado para testar virtualmente o produto e promover adequações antes do investimento no protótipo funcional. Os resultados apontam que a simulação permitiu a avaliação dos critérios básicos de projeto e se firmou neste trabalho como importante ferramenta no dimensionamento de produtos. A partir das simulações executadas, tornou-se possível estabelecer critérios de projeto, com foco na redução de peso e resistência, adequação das formas e dimensionamento estrutural, além de promover economia com a produção de protótipos reais. Palavras-chave: Projeto de Produto. Materiais. Engenharia do Produto. Bicicleta. Protetor de Bateria. _____________________________________ (^1) Graduando em Engenharia de Produção – Ibmec-BH – felipe.psantos2013@gmail.com (^2) Graduando em Engenharia de Produção – Ibmec-BH – pedroo.crego@gmail.com (^3) Professor titular do Ibmec-BH – Doutor em Engenharia de Materiais – carlos.miranda@ibmec.edu.br (^4) Professor titular do Ibmec-BH – Doutor em Engenharia de Materiais – paulo.tavares@ibmec.edu.br Correspondência/Contato Faculdade de Engenharia de Minas Gerais FEAMIG Rua Gastão Braulio dos Santos, 837 CEP 30510- Fone (31) 3372- parametrica@feamig.br http://www.feamig.br/revista Editores responsáveis Wilson José Vieira da Costa wilsoncosta@feamig.br Raquel Ferreira de Souza raquel.ferreira@feamig.br
1 INTRODUÇÃO
A NOMAD SPORTS é uma empresa jovem estabelecida no mercado de acessórios para bicicletas em Belo Horizonte/MG. A empresa foca seus esforços no desenvolvimento de produtos baseados no redesign de produtos já existentes, de marcas internacionais, os quais chegam ao Brasil com um custo muito elevado em função do câmbio e taxas alfandegárias. E também em novos produtos, desenvolvidos para suprir necessidades específicas ou resolver problemas para os seus clientes. Com o aumento e aceleração da tecnologia, o mercado de bicicletas convencionais de Mountain Bike vem sofrendo uma grande migração para o mercado de bicicletas elétricas, também conhecidas como bicicletas assistidas, ou e-bikes. Essa migração das bicicletas convencionais para bicicletas elétricas. Em 2017, o valor do mercado de ebikes era de USD 16,35 Bilhões e a estimativa para 2025 é de USD 23,83 Bilhões, um aumento de 45% do mercado global, em 8 anos (WAGNER, 2019). Neste trabalho, será abordado o desenvolvimento de um produto próprio e inédito da empresa, um protetor de bateria para bicicletas elétricas da marca Specialized ®. O protetor de bateria em questão, cuja finalidade é proteger a parte inferior do quadro da bicicleta, enquanto anteparo, foi desenvolvido para um modelo específico da marca, chamado de Turbo Levo. Serão relatados neste trabalho os procedimentos relacionados às atividades de engenharia, design e dimensionamento do produto. 2 DESENVOLVIMENTO Para o desenvolvimento da engenharia do produto demandado, foram conduzidas as etapas descritas a seguir, em tópicos, cumprindo com a definição de materiais e processos, escolha do material, descrição de fatores do processo de fabricação que interferem no projeto, coleta de medidas, modelagem paramétrica e testes realizados em ambiente de análise por FEM ( Finite Elements Method – ou MEF-Método de Elementos Finitos), este último utilizado para testar virtualmente o produto e promover adequações antes do investimento no protótipo funcional. 2.3 Definição dos Materiais e Processos de Fabricação A seleção de materiais ocorre na medida em que vão sendo avançadas as etapas do processo de engenharia do produto. Assim, os materiais sempre estarão
A seleção do processo de fabricação levou em consideração a baixa demanda de produção, por ainda existirem unidades insuficientes deste modelo de bicicleta, no mercado em que atua a empresa, que justifiquem a demanda de produção de lotes em larga escala. A flexibilidade de produção, rapidez de atendimento, baixa demanda tecnológica e baixo custo operacional também foram considerados na seleção do processo de fabricação (BEYLERIAN & DENT, 2007); Baseando nestes objetivos e requisitos, os materiais mais indicados, segundo Mano (1991), seriam o Polipropileno (PP) e o Acrilonitrila Butadieno Estireno (ABS), sendo este primeiro o mais adequado para situações onde ocorrerão situações de desmontagens constantes, o que causa fadiga no material e possibilidade de fraturas no protetor (LESKO, 2004; FERRANTE & WALTER, 2010). A forma do produto determinou a possibilidade de conformação do material através do processamento por termoformagem, processo também conhecido como vacuum forming (LIRA, 2017). 2.1 Poliproileno (PP) versus Acrilonitrila Butadieno Estireno (ABS) Devido ao seu baixo custo de produção e a sua durabilidade, os polímeros cada vez são mais produzidos no mundo e avançam em otimizações tecnológicas recorrentes e progressivas. Estes dois polímeros pertencem ao grupo dos commodities, por serem amplamente empregados nos mais variados produtos de consumo, acessórios, mobiliário, embalagens e etc. O polipropileno é um polímero de baixa densidade: 0,900 a 0,910 g/cm³ (PERUZZO & CANTO, 2006) que oferece bom equilíbrio de propriedades térmicas, químicas e elétricas, acompanhada de resistência moderada. De acordo com Mano (1991) uma aplicação típica do mesmo é em parachoques de automóveis, carcaças de eletrodomésticos dentre outros. Tais aplicações demonstram uma particularidade do polipropileno que é seu “efeito dobradiça”, ou seja, pode-se fazer peças com dobras no próprio material. Já em relação ao copolímero ABS, acrilonitrila-butadieno-estireno, que é um termoplástico que foi desenvolvido para aplicações que necessitam de uma boa resistência ao impacto e um bom aspecto visual, de acordo com Lee (1994) o ABS é
um polímero com excelente resistência ao impacto em baixas temperaturas, entretanto tem como desvantagem a baixa resistência a solventes. 2.2 O processo de conformação do material – termoformagem ( vacuum forming ) A termoformagem a vácuo, também chamada de vacuum forming , foi desenvolvida na década dos anos de 1870 (ENGELMANN, 2012). De acordo com Throne (2008), é considerada como um dos mais antigos processos de fabricação de objetos utilitários em plástico. Enquanto processo de fabricação, é a conformação de produtos termoplásticos planos, sob a configuração de chapas, submetidos a um aquecimento e, posteriormente, a uma pressão de vácuo através de uma máquina termoformadora. E, por necessitar que a matéria-prima esteja previamente configurada em folhas ou chapas, Engelmann (2012) e Throne (Op.Cit.) definem a termoformagem como uma tecnologia de abrangência secundária. O processo de termoformagem à vácuo, ou vacuum forming , é determinado por 4 fases distintas (Figura 2): fixação da chapa de polímero, aquecimento, moldagem (conformação) e posterior resfriamento e retirada da peça, que é enviada para acabamento e retirada dos excessos (FORMECH, 2011; INNOVA, 2014; MURALISRINIVASAN, 2010; KLEIN 2009; THRONE, 2008; STRONG, 1996; ROSEN, 2002). Figura 2: Processo de termoformagem a vácuo ( vacuum forming ) Fonte: autores.
devem ser observados e estudados, como diferenças de espessura em partes distintas do produto, raios de concordância mínimos, etc. Recomenda-se que o projetista estude o processo antes de proceder com o dimensionamento e definição das características da peça a ser obtida através de termoformagem (FORMECH,2011). 2.2 O método de elementos finitos (MEF) – Finite Elements Method (FEM) Segundo Azevedo (2003), a análise através do Método dos Elementos Finitos (MEF) apresenta atualmente um nível de desenvolvimento que permite a sua utilização pela grande maioria dos projetistas estruturais. Enquanto que no passado muitos dos utilizadores do MEF estavam também envolvidos na respectiva programação de softwares em computadores, verifica-se hoje em dia que a quase totalidade dos projetistas estruturais apenas se preocupa com a utilização do correspondente software e com a interpretação dos resultados obtidos. Devido à grande complexidade associada ao desenvolvimento de modernos programas de computador dispondo de uma interface gráfica intuitiva, o desenvolvimento de software tem sido cada vez mais restringido às empresas especializadas. Porém, faz-se necessário o domínio técnico por parte do projetista, afim de possibilitar a análise e seleção dos softwares mais adequados à necessidade de avaliação, contemplando o maior numero possível de variáveis. Akin (2010) descreve o conceito básico por trás do MEF, caracterizando-o como a substituição virtual de qualquer forma complexa física pela união (ou somatória) de um grande número de formas geométricas simples (como p.ex.: triângulos) que são combinados corretamente de forma a representar o modelo original a ser analisado. As formas mais simples menores são chamadas de elementos finitos porque cada uma ocupa um pequeno, porém finito, sub-domínio que representa modelo original da peça. O autor sugere um exemplo muito simples de se dividir e somar este processo, a partir do cálculo da área da forma arbitrária. Alternativamente, é possível através do MEF dividir a área em um conjunto fechado de triângulos (cobrindo a forma como uma malha) e calculando-se a soma das áreas dos triângulos individuais (malha). A resistência de um material se refere às respostas deste quando submetido à ação de esforços expressos através a partir da função de tensões e/ou deformações (DIETER, 1961). A partir desta definição, pode-se concluir que a aplicação do método dos elementos finitos tem como objetivo viabilizar a determinação do estado de tensão e da deformação de sólidos de complexidade e geometria variados, estes sujeitos a carregamentos mecânicos e/ou térmicos. Desta forma, a tensão é uma reação de um determinado material diante de um carregamento, sendo
diretamente proporcional à força aplicada e inversamente proporcional à geometria do corpo constituído por este (DIETER, Op. Cit.). As tensões podem ser de tração, compressão e cisalhamento, e suas distribuições podem ser observadas através das deformações ocorridas no corpo. Ao admitir que um material não escoa sob estados hidrostáticos de tensões, a teoria de von Mises impõe que a máxima energia acumulada somente na distorção do material analisado não pode ser igual ou maior que a máxima energia de distorção encontrada para o mesmo material num ensaio uniaxial de tração. Tensões de von Mises são magnitudes físicas proporcionais à energia de distorção. Em engenharia estrutural são utilizadas no contexto das teorias de falha como indicadoras de um bom desempenho para materiais dúcteis. O critério de tensão de von Mises máxima é baseado na teoria Mises-Hencky , também conhecida como teoria de energia de cisalhamento ou teoria de distorção máxima (KUROWSKI, 2005), muito utilizada pelos principais softwares de análise por elementos finitos. A teoria diz que um material maleável começa a ceder em um local onde a tensão de von Mises se torna igual ao limite de tensão. Na maioria dos casos, o limite de escoamento é usado como limite de tensão. No entanto, segundo o autor, softwares como o SolidWorks ® permitem o uso da tração máxima ou definir o seu próprio limite de tensão. Como uma ferramenta para análise em engenharia, o FEM é usado para resolver problemas que variam de muito simples a muito complexos. Para dimensionamento do produto, foi necessária a execução de coleta de medidas na bicicleta original, no modelo pretendido. As dimensões foram utilizadas no processo de modelagem paramétrica e prototipagem virtual do projeto. A Figura 4 mostra a etapa de coleta destas informações, na qual, além das dimensões terem sido coletadas, foram executados mock-ups, que são modelos feitos em materiais alternativos, como papel, polímeros, etc. (BAXTER, 2000), para auxiliar a compreensão do modelo tridimensional e as etapas seguintes, de prototipação virtual/modelagem paramétrica.
3 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS
O produto teve sua modelagem paramétrica desenvolvida no software SolidWorks ®, que também foi utilizado na realização das análises de tensão através do método de elementos finitos. Na Figura 6, a seguir, são mostradas imagens de rendering (simulação por computação gráfica onde é simulada a estética final, com aplicação de características físicas do material) do protótipo digital e o modelo utilizado na simulação, onde foi considerada a aplicação de força localizada de 100kgf onde indicado pelas setas, com pontos de ancoragem pré-determinados nas áreas de fixação disponíveis na bicicleta. Foram considerados os fatores de adequação ao processo, tais como ângulo de extração, relação entre altura e largura de 0,75 (75%), redução de espessura nas laterais, raios de concordância, dentre outros identificados na bibliografia pesquisada. Figura 6: Rendering do protótipo (esq.) e definição dos critérios de análise de tensões aplicadas (dir.) Fonte: Os autores. A malha foi gerada e aferida e a análise das tensões se baseou no critério de von Mises , tendo o resultado alcançado valores abaixo da tensão de escoamento do material e deformação máxima de 1,44mm (região vermelha, realçada, na Figura 7 – esq.), portanto com folga em relação à bateria da bicicleta, onde foi considerada folga de 10mm entre a parte protegida e o protetor desenvolvido. O melhor resultado obtido nos testes realizados se baseou na utilização de material PP de um fornecedor específico, com espessura de chapa de 4mm e tensão de escoamento de 35 MPa. O valor máximo alcançado, na melhor condição de teste, à temperatura ambiente de 21°C, mostrou uma tensão máxima alcançada de 21,51 MPa.
Figura 7: Resultado da simulação de tensões (esq.) e resultado da simulação das deformações (dir.) Fonte: Os autores.
4. CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS Os resultados obtidos nos testes virtuais realizados no protótipo modelado apontaram para uma condição favorável inicial. Essa condição permitiu a seleção de uma matéria- prima comercial disponível no mercado e com dados que devem ser analisados posteriormente, onde ensaios experimentais irão averiguar os dados fornecidos pelo fabricante frente aos resultados de ensaios feitos em laboratório. Os dados corrigidos deverão ser inseridos no software e o ensaio paramétrico deve ser repetido, posteriormente. Os resultados iniciais, tendo em vista o resultado da análise de tensões e deformação, permitirão evoluir com o protótipo virtual, inserindo elementos decorativos e morfológicos de forma a se atingir o objetivo de agregação de valor ao produto final. Em paralelo, pretende-se executar um protótipo físico por impressão 3D, para conferência das medidas e averiguação dos encaixes. Além dos ensaios realizados, faz-se necessário ainda aprofundar as análises para avaliar a fluência através de ensaios experimentais, seguindo–se recomendações e procedimentos, os quais servirão de parâmetros para alimentar e calibrar um modelo constitutivo de Kelvin–Voigt de 3 parâmetros (modelo Zener, para simular comportamentos de fluência e relaxação, permitindo avaliar outras condições de carregamento e vinculação ao longo do tempo, através do MEF). A simulação permitiu a avaliação dos critérios básicos de projeto e se firmou neste trabalho como importante ferramenta no dimensionamento de produtos. A partir das simulações executadas, tornou-se possível estabelecer critérios de projeto, com foco na redução de peso e resistência, adequação das formas e dimensionamento estrutural, além de promover economia com a produção de protótipos reais.
MURALISRINIVASAN, Natamai Subramaniam. Update on Troubleshooting in thermoforming – 1ª Ed., Smithers Rapra, 2010. PERUZZO, F. M.; CANTO, E. L. do. Química na abordagem do cotidiano. 4. Ed. São Paulo: Moderna, 2006, volume 3, p. 267. ROSEN, Stanley R. Thermoforming: Improving Process Perfomance , by the Society of Manufacturing Engineers, 2002. STRONG, A. Brent. Plastic: materials and processing. New Jersey, US: Pearson Prentice Hall, 1996. THRONE, J. L. Technology of thermoforming , 1ª edição, Estados Unidos: Hanser Gardner, 2008. ULRICH, K. & EPPINGER, S. Product design and development. New York: McGraw-Hill,
WAGNER, I. E-bikes - market size worldwide 2017 & 2025. Statista. 2019. Disponível em: https://www.statista.com/statistics/674381/size-global-market-electric-bicycles/. Acesso em: 06 de maio de 2020.
