Projeto Mecânico Extrusora Laboratórial

DISCIPLINA

CURSO

ENGENHARIA MECÂNICA Nº DO PROJETO

IF-SAP-PM-2015/2-001

VINÍCIUS MARTINS

PROJETO MECÂNICO N° DOCUMENTO

2015/2 REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-MD-001

0

PROJETISTA

PROJETISTA COORDENADOR DO PROJET O

SEMESTRE

JANAINA MARQUES PROJETISTA

CLAUDIONEI GONÇALVES PROJETISTA

FELIPE REICHERT

MARCIO CUNHA

MEMORIAL DESCRITIVO DE DETALHAMENTO DE CONSTRUÇÃO E MONTAGEM DE UMA EXTRUSORA DE PEQUENO PORTE PARA USO EM LABORATÓRIO L ABORATÓRIO

REGISTRO DE REVISÕES Rev

Data

0

23/10/2015

Descrição Memorial básico preliminar

Elaborado

Verificado

MC

JM, CG, FR

Aprovado

CURSO


IF-SAP-PM-2015/2-001 PROJETISTA COORDENADOR DO PROJET O

VINÍCIUS MARTINS


FELIPE REICHERT

DISCIPLINA

SEMESTRE


2015/2 REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-MD-001

0

PROJETISTA


MARCIO CUNHA

1

INTRODUÇÃO

2

2

OBJETIVO

2

3

HISTÓRICO

3

4

EXTRUSÃO

4

4.1

tipos de roscas

5

5

METODOLOGIA

6

6

DESCRIÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS

6

6.1 6.2 6.3 6.4

conjunto de plastificação sistema de aquecimento e sistema elétrico Sistema de transmissão estrutura

6 8 9 10

7

ESTUDO DE TORÇÃO DA ROSCA

11

8

CONSIDERAÇÕES FINAIS

12

9

REFERÊNCIAS

13

10

ANEXOS

14

CURSO



VINÍCIUS MARTINS

1


FELIPE REICHERT

DISCIPLINA

SEMESTRE


2015/2 REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-MD-001

0

PROJETISTA


MARCIO CUNHA

INTRODUÇÃO

A disciplina de Projeto Mecânico tem como objetivos desenvolver projetos de engenharia; integrar os conhecimentos e habilidades adquiridas ao longo do curso, promovendo a interdisciplinaridade; empreender a identificação, formulação e solução de problemas; promover o contato com a documentação técnica de um projeto; integrar o projeto com o processo de fabricação por meio de testes e simulações computacionais e ainda instigar o trabalho em equipe. Tendo em vista a necessidade de melhorar a oferta de conhecimento e práticas em uso e experimento de processamento de polímeros, foi proposto pelo professor Vinícius Martins, na disciplina de Projetos Mecânicos, a elaboração do projeto de uma extrusora. Os alunos que formam o grupo de projetistas são os responsáveis pela pesquisa e desenvolvimento de tudo que se fizer necessário para a execução deste projeto. Fica a cargo do professor, a orientação e coordenação do andamento das etapas e aceite final. O presente trabalho tratará do projeto mecânico de uma extrusora dupla rosca para utilização laboratorial. Com a finalidade de atingir os objetivos propostos pela disciplina e posterior fabricação da extrusora para utilização nos laboratórios do IFSul Campus Sapucaia do Sul.

2

OBJETIVO Este memorial tem o objetivo de descrever e detalhar todas etapas e procedimentos necessários para a fabricação ou envio para fabricação externa ao IFSul-Sapucaia do Sul, de uma extrusora de pequeno porte para utilização em laboratório, com a finalidade de servir como equipamento de apoio aos cursos oferecidos pelo campus.

DISCIPLINA

CURSO



VINÍCIUS MARTINS

3

SEMESTRE


REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-MD-001

0

PROJETISTA


2015/2


FELIPE REICHERT

MARCIO CUNHA

HISTÓRICO As primeiras máquinas de processamento de polímeros foram construídas no século XIX; entretanto, a rosca ou parafuso sem fim é um componente bem mais antigo, inventado por Arquimedes no início do século II a.C. (figura 1), e é bastante utilizado não somente nesse tipo de maquinário como em diversas outras aplicações. Arquimedes desenvolveu um parafuso para bombear água das minas de prata do rio Ti nto na Espanha (STRATHERN, s/d).

Figura 1: Parafuso de Arquimedes.

De acordo com Tadmor e Gogos (2006), Thomas Hancock desenvolveu em 1820 a primeira máquina para recuperar borracha natural, constituída de um rotor denteado que gira em um cilindro denteado (figura 2). Em 1836, Edwin Chaffee inventou um moinho de dois rolos para misturar aditivos à borracha e a calandra de quatro rolos para revestimentos de borracha em roupas e couro.

Figura 2: máquina para recuperar borracha natural.

CURSO



VINÍCIUS MARTINS

4


FELIPE REICHERT

DISCIPLINA

SEMESTRE


2015/2 REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-MD-001

0

PROJETISTA


MARCIO CUNHA

EXTRUSÃO A extrusão é um processo de transformação (de polímeros, metais, cerâmicos e alimentos) para uso e geração de matérias-primas e transformação em produtos (LapolUFRGS, 2015). Os materiais poliméricos podem ser transformados por diversos processos com o objetivo de melhorar suas propriedades e/ou para produzir bens de consumo. A extrusão é um tipo de processo de transformação (figura 3) na qual a massa polimérica é aquecida e forçada por um sistema de roscas, passando através de uma matriz com o perfil desejado (MANO E MENDES, 2004). A extrusão pode ser aplicada a termoplásticos ou termorrígidos, conforme uma formulação adequada de massa polimérica.

Figura 3: Esquema de uma extrusora e seus componentes funcionais (Manrich, 2005).

A seguir, alguns exemplos de produtos poliméricos obtidos por extrusão: filmes, canos e tubos para fluidos, isolantes de fios e cabos elétricos, filamentos para fabricação de linhas de pesca, escova dental, de cabelo; embalagens para alimentos, chapas para posterior termoformagem (Cruz, s/d). Conforme Manrich (2005), a rosca é um componente muito importante porque transporta, funde, homogeniza e plastifica o polímero. O movimento da rosca cisalha o material e é responsável por 80% da energia térmica e mecânica para a transformação. O percurso do polímero durante a extrusão é explicado por Manrich (2005, p.108)

CURSO


IF-SAP-PM-2015/2-001 PROJETISTA

DISCIPLINA

SEMESTRE


VINÍCIUS MARTINS

PROJETISTA

REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-MD-001

0

PROJETISTA

JANAINA MARQUES

COORDENADOR DO PROJET O

2015/2


FELIPE REICHERT

MARCIO CUNHA

No início da rosca, o material proveniente do funil normalmente está à temperatura ambiente e na forma de grãos ou pó, e nesse estado possui baixa densidade aparente (entre 0,3 e 0,6 g/cm3), dependendo do formato do grão e do tipo de polímero. Como durante o processo de extrusão o polímero amolece e elimina o ar existente entre esses grãos que formam o pó ou pélete, a densidade aumenta em tomo de duas até quatro vezes o valor inicial. Em função disso, o material deve ser comprimido ao longo da rosca para compensar tal efeito, bem como para manter os níveis de cisalhamento adequados. A taxa de compressão deve ser igual ou superior à variação de densidade do material em processo.

4.1

TIPOS DE ROSCAS

A rosca simples é a mais utilizada na indústria polimérica por causa do custo relativamente baixo, do design simples, da robustez e um bom custo benefício. Ela promove principalmente a deformação de cisalhamento. Entretanto, devido a sua estrutura de compressão, acaba por degradar polímeros de difícil manuseio como o PVC e o PHB. Além de não oferecer condições especiais de fusão, mistura e taxa elevada de produção, aspectos importantes para materiais como fibra de vidro, talco e CaCo 3. A rosca dupla possui ação de mistura mais intensa que na extrusora de rosca simples, porque na região de junção das roscas, boa parte do fluxo do fundido polimérico é dividido e transferido de um canal da rosca para o canal da outra rosca. É importante ressaltar que o sentido de giro das roscas pode ser corrotacional (mesmo sentido) ou contra-rotacional (sentido oposto). O giro corrotacioal produz uma mistura mais homogênea devido à troca de canal.

DISCIPLINA

CURSO

PROJETO MECÂNICO


IF-SAP-PM-2015/2-001

N° DOCUMENTO

VINÍCIUS MARTINS

5

2015/2 REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-MD-001

PROJETISTA

JANAINA MARQUES

COORDENADOR DO PROJET O

SEMESTRE

PROJETISTA

FELIPE REICHERT

0

PROJETISTA


MARCIO CUNHA

METODOLOGIA A metodologia utilizada para o desenvolvimento da extrusora laboratorial foi o processo tradicional de produção, no qual se avalia a necessidade do produto, toma-se por referência produtos do mercado e constrói-se um novo design para atender os requisitos do cliente. O modelo de referência foi a extrusora Mini CTW da Polimate (figura 4) por possuir design simples, que inspira segurança e praticidade. Além disso, foram consideradas as dimensões, a capacidade de produção, a facilidade de montagem, operação e manutenção.

Figura 4: Extrusora Mini CTW Polimate.

6

DESCRIÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS Nesta etapa serão descritos os componentes da extrusora, de forma a explicar quais materiais serão utilizados na construção e porquê foram escolhidos.

6.1

CONJUNTO DE PLASTIFICAÇÃO A) Roscas – A rosca de extrusão possui filetes padrões, com o mesmo ângulo em seu comprimento. Para definição das seções da rosca foram utilizadas as recomendações descritas por Rauwendaal (2004), sendo que a seção de alimentação possuí um

CURSO



VINÍCIUS MARTINS


FELIPE REICHERT

DISCIPLINA

SEMESTRE


2015/2 REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-MD-001

0

PROJETISTA


MARCIO CUNHA

comprimento de 4 vezes o diâmetro, a seção de compressão possuí um comprimento de 10 vezes o diâmetro, e a seção de dosagem possuí um comprimento de 6 vezes o diâmetro, totalizando um comprimento total de 20D, que é o mínimo recomendável para uma rosca de extrusão. O diâmetro do eixo da rosca na zona de alimentação é de 0.35D e o diâmetro na zona de dosagem é de 0,89D. As roscas serão produzidas com o aço estrutural para construção mecânica 8550, que é um material pré-beneficiado (temperado, com dureza entre 258-286 HB) para nitretação, utilizado para componentes que requeiram dureza superficial e resistência ao desgaste. Composição química:

Propriedades Mecânicas:

Tratamento Térmico: Após a nitretação este material proporciona uma excelente resistência ao desgaste por abrasão, que aliado com a superfície polida da rosca, proporcionará um delta de atrito ideal para transporte do material no sistema e uma grande resistência ao desgaste da rosca.

B) Matriz – a matriz possui um canal que se inicia em forma de ângulo e após se transforma em forma de cilindro, que dará a forma final do material extrusado. O objetivo desta configuração é evitar mudanças bruscas no fluxo do material e manter o fluxo do material homogêneo. O material aplicado na construção da matriz é AISI P20, indicado especialmente para matrizes. As principais características deste material são as seguintes: Aço pré-beneficiado (265-330HB) desgaseificado à vácuo com boa usinabilidade, polibilidade e texturização. Apresenta estrutura homogênea. Não sofrerá perda de dureza (faixa especificada) após nitretação em temperaturas entre 450°-600°C.

CURSO


IF-SAP-PM-2015/2-001

DISCIPLINA

SEMESTRE


VINÍCIUS MARTINS

REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-MD-001


0

PROJETISTA

PROJETISTA COORDENADOR DO PROJET O

2015/2


FELIPE REICHERT

MARCIO CUNHA

Composição química:

Propriedades Físicas

C) Barril de plastificação inferior e superior – os barris de plastificação são divididos em duas partes, para que o conjunto possa ser aberto para realização da limpeza das roscas e do interior do cilindro, a fim de evitar perdas de materiais. O barril inferior é fixo e o superior é móvel, sendo ambos fixados por parafusos e alinhados por pinos guias. O material para construção dos barris de plastificação é o mesmo aço 8550 utilizado para a construção da rosca de extrusão, que juntamente com o acabamento de brunimento no interior do cilindro, permitirá um ótimo fluxo de material e excelente resistência ao desgaste.

6.2

SISTEMA DE AQUECIMENTO E SISTEMA ELÉTRICO As características da parte elétrica, necessárias para o funcionamento da extrusora, deverá sofrer avaliação de especialidade de projetos elétricos, o que não é objeto deste curso. São apontadas apenas as as premissas de funcionamento. Assim temos que para: D) Resistências de aquecimento: serão duas, no formato de cartucho e furação de espera com 10mm de diâmetro e profundidade 70mm. Deverão fornecer calor suficiente para manter o material na região de plastificação. E) Sensores de temperatura: serão dois sensores do tipo RTD ou termopar (a critério do projeto elétrico), que farão o monitoramento e controle da temperatura das resistências de aquecimento. Há disponível dois furos de espera com 4mm de diâmetro e 20mm de profundidade.

CURSO



VINÍCIUS MARTINS


FELIPE REICHERT

DISCIPLINA

SEMESTRE


2015/2 REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-MD-001

0

PROJETISTA


MARCIO CUNHA

F) Motor: deverá fornecer o torque necessário para mover o mecanismo na faixa de rotação de aproximadamente 1000 até 2000 RPM. Para isso, deverá possuir um sistema de controle adequado para manter uma rotação estável. G) Acionamento elétrico: os dispositivos de acionamento, controle, proteção e demais partes elétricas afins, deverão atender a NR10 e prover segurança operacional e proteção ao equipamento devido sobrecarga ou trancamento mecânico das roscas. Estes dispositivos deverão possuir informação de funcionamento e identificação visível ao operador.

6.3

SISTEMA DE TRANSMISSÃO O sistema de transmissão é formado por um sistema de coroa e parafuso com rosca sem fim. Este sistema permite uma grande redução da RPM e um aumento de força, condições estas que são necessárias em uma extrusora. H) Rosca sem fim – possui apenas uma entrada, permitindo uma grande redução de RPM. O material selecionado para a fabricação deste componente é o aço 8620 tratado termicamente por cementação. Este material possuí ótimas propriedades mecânicas, como tensão de resistência a tração de 620 MPa, e o tratamento de cementação lhe confere resistência superficial, mas não altera o seu núcleo, permitindo que o material possua grande resistência a fratura. I) Rolamento de apoio da rosca sem fim- rosca sem fim é apoiada no sistema através de rolamentos de esfera de contato angular, pois esta peça sofre esforços radiais vindos do motor e esforços axiais devido ao torque gerado na engrenagem, sendo este rolamento ideal para este tipo de esforço. O modelo de rolamento selecionado é o rolamento DIN 7200 B, que possuí as medidas conforme indicado abaixo:

DISCIPLINA

CURSO

PROJETO MECÂNICO


N° DOCUMENTO


VINÍCIUS MARTINS

SEMESTRE


FELIPE REICHERT

2015/2 REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-MD-001

0

PROJETISTA


MARCIO CUNHA

J) Engrenagens – possuí um módulo de 0,85 e 16 dentes, o que permite uma redução de 16 vezes a RPM de entrada, em conjunto com a rosca sem fim de uma entrada. O material selecionado para sua construção é o mesmo utilizado para a construção da rosca sem fim, devido a esta peça sofrer esforços semelhantes ao da rosca. K) Buchas – as buchas possuem a função de suportar as roscas de extrusão, sofrendo esforços radias e axiais. O material selecionado para a fabricação das buchas é o bronze grafitado, que é um material com média resistência mecânica, ideal para evitar desgaste no eixo da rosca, e sua principal característica é que é auto lubrificante, ideal para utilização como mancal rotativo. L) Acoplamento do motor – O acoplamento do motor é dividido em duas partes, uma montada no eixo do motor e a outra montada no eixo da rosca sem fim, sendo que as duas partes se encaixam, com uma leve folga para compensar pequenos desalinhamentos axiais e radiais. O material aplicado para construção do acoplamento é o mesmo utilizado na rosca sem fim, pois este material possuí grande resistência mecânica e ao desgaste, atendendo aos requisitos desta aplicação.

6.4

ESTRUTURA M) Grade de proteção do conj de plastificação e proteção do eixo do motor – sua função é proteger as partes móveis e aquecidas do equipamento. O material empregado para sua fabricação são chapas de aço 1010, com tratamento superficial de pintura. Este material é ideal para esta aplicação, pois a aplicação não necessita grandes

CURSO



VINÍCIUS MARTINS


FELIPE REICHERT

DISCIPLINA

SEMESTRE


2015/2 REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-MD-001

0

PROJETISTA


MARCIO CUNHA

propriedades mecânicas, possuí um baixo custo e o tratamento superficial de pintura evita a corrosão. N) Base dos mancais – sua função é apoiar os mancais. Será fabricada com Alumínio 6005, pois este é um material que possuí boa usinabilidade, boa resistência mecânica e alta resistência a corrosão, aumentando a durabilidade do produto. O) Placas de suporte (lateral, superior, inferior e traseira) – as placas de suporte terão a função de sustentar o conjunto e principalmente o sistema de transmissão. As placas laterais devem estar perfeitamente alinhadas em relação ao conjunto, então para isto possuirão pinos guias para alinhamento durante a fixação. O material utilizado para a sua fabricação é o alumínio 6005, o mesmo utilizado na base dos mancais, devido a estes componentes sofrerem solicitações semelhantes a este componente. P) Funil – o funil possuí um diâmetro de entrada da matéria prima de 30 mm, para facilitar o acesso do material as roscas. O material utilizado para sua fabricação é o alumínio 6005. Q) Fixações (parafusos e pinos guias) – as fixações serão compostas por parafusos allen comerciais, de diversas formas e tamanhos, conforme solicitações descritas em desenho, e também por pinos guias para alinhamento das partes durante a montagem. Os pinos guias serão pinos comerciais temperados e retificados, com as dimensões conforme solicitadas em desenho.

7

ESTUDO DE TORÇÃO DA ROSCA O estudo de torção foi realizado com o Simulation, um suplemento do Solidworks. O objetivo foi analisar o comportamento da rosca de extrusão ao sofrer solicitações de torção. Devido a limitações do software, não foi utilizado o material correto do produto, que seria o aço SAE 8550, porém foi utilizado um material com características similares. Assim como, a falta de dados referente às forças aplicadas ao produto durante o trabalho, foi definido uma tensão de torção máxima de 50 N.m para a análise de torção. O relatório de análise encontra-se no cd com os demais anexos. Foram feitas simulações de torção em todo o eixo principal da peça (figura 5), que está subdividida em rosca, eixo de mancal, e conexão com o sistema de tração, porém devido a aplicação

CURSO



VINÍCIUS MARTINS


FELIPE REICHERT

DISCIPLINA

SEMESTRE


2015/2 REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-MD-001

0

PROJETISTA


MARCIO CUNHA

dos componentes de fixação na parte do eixo referente a conexão com o sistema de tração, está região não pode ser considerada no estudo. Após análise verificou-se que a rosca oferece propriedades adequadas em relação a torção, resistindo aos esforços solicitados. O ensaio demonstrou que a região da rosca resiste muito satisfatoriamente aos esforços de torção; porém a região mais propensa a sofrer deformações é a região do eixo de mancal. Contudo, os valores obtidos pelo estudo demonstraram que os esforços estão abaixo dos limites de resistência dos materiais, sendo assim adequada a sua utilização.

Figura 5: simulação de solicitações de torção na rosca.

8

CONSIDERAÇÕES FINAIS

CURSO



VINÍCIUS MARTINS

9

DISCIPLINA

SEMESTRE


REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-MD-001

0

PROJETISTA


2015/2


FELIPE REICHERT

MARCIO CUNHA

REFERÊNCIAS

Cruz, S. A. Extrusão de termoplásticos. http://www3.fsa.br/materiais/Processamento/extru_1.pdf

Disponível

em:

Tadmor, Z. Gogos (2006), C. G. Principles of Polymer Processing. John Wiley and Sons, 2006. Disponível em http://www3.fi.mdp.edu.ar/procesamiento1/material/Tadmor-Gogos.pdf

Introdução a polímeros: –UFRGS. Lapol http://www.ufrgs.br/lapol/processamento/l_47.html

revisão.

Disponível

em:

Mano, E. B. Mendes, L. C. Introdução a polímeros. 2ed. ver. e ampl. São Paulo: Edgard Blücher, 2004. Manrich, S. Processamento de termoplásticos: rosca única; extrusão e matrizes; injeção e moldes. São Paulo: Artliber Editora, 2005. Strathern, P. Arquimedes e a alavanca em 90 minutos. Tradução de Maria Helena Geordane. Le Livros: sem data. Disponível em http://lelivros.blue/book/baixar-livro-arquimedes-e-a-alavanca-em90-minutos-paul-strathern-em-pdf-mobi-e-epub/

CURSO



VINÍCIUS MARTINS

10

ANEXOS


FELIPE REICHERT

DISCIPLINA

SEMESTRE


2015/2 REVISÃO

IF-SAP-PM-2015/2-MD-001 PROJETISTA


MARCIO CUNHA

0

Projeto Mecânico Extrusora Laboratórial

Recommend Documents