UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
ESTUDO DE CASO: TUBO DE REVESTIMENTO DA BASE DO CABIDE DE ROUPA
Fabricio Silva sales Saimo Costa da Silva Renato Sousa da Silva Gentil da Costa Silva Filho Tiago Augusto Moreira Costa
TUCURUÍ 2015
Fabricio Silva sales Saimo Costa da Silva Renato Sousa da Silva Gentil da Costa Silva Filho Tiago Augusto Moreira Costa
ESTUDO DE CASO: TUBO DE REVESTIMENTO DA BASE DO CABIDE DE ROUPA
Trabalho apresentado para obtenção de nota da disciplina de seleção dos materiais, ministrada pelo Professor Msc. Wassim Raja El Banna no curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Pará.
TUCURUÍ 2015
RESUMO
A área de materiais é uma área que continuamente se renova devido ao surgimento e descobertas de novos materiais. Para o profissional que atua no campo da engenharia, está a sua disposição mais de 50.000 mil tipos de materiais, e fazer a seleção adequada destes materiais pode vir a ser uma tarefa bastante árdua e penosa. Os procedimentos para escolha de um determinado material obedecem uma serie de critérios que deve ser obedecido de forma adequada e criteriosa para o sucesso do projeto. Estes critérios formam um conjunto que devem ser satisfeitos simultaneamente. Sabendo disto, o presente trabalho, além de colocar a prova os conhecimentos adquiridos e sala de aula, tem como objetivo selecionar o material mais adequado para o tubo de revestimento da base de um cabide de roupas, levando em consideração que o material selecionado deva suportar esforços de flexão, apresentar propriedades que garantam sua integridade, prevenção de degradação, além da capacidade de carga.
Palavras chave: Seleção dos Materiais, Critérios de Seleção.
LISTA DE FIGURAS E TABELAS. FIGURA 1. PANORAMA EVOUTIVO DOS MATERIAIS.................................................8 FIGURA 2. MAPA DE PROPRIEDADE DOS MATERIAIS RELACIONANDO MODULO DE ELEASTICIDADE EM FUNÇAO DA DENSIDADE DO MATERIAL.............................................................................................................................12 FIGURA 3. IMAGEM DO CABIDE E DO REVESTIMENTO COM DIMENSÕES ESPECIFICADAS...................................................................................................................14 FIGURA 4. MODELAMENTO DOS ESFORÇOS SOFRIDOS PELO CABIDE...............15 FIGURA 5. MAPA DE PROPRIEDADE DOS MATERIAIS RELACIONANDO MODULO DE ELEASTICIDADE EM FUNÇAO DA DENSIDADE DO MATERIAL.............................................................................................................................16
TABELA 1. MODULO DE ELASTICIDADE, DENSIDADE, MASSA E CUSTO PARA SEIS TIPOS DE MATERIAIS................................................................................................17 TABELA 2. COMPARAÇÃO DE RESULTADOS ÍNDICE DE MÉRITO, MASSA, CUSTO DO MATERIAL E TOTAL PARA SEIS TIPOS DE MATERIAIS.....................................20
SUMÁRIO 1. INDRODUÇÃO...................................................................................................6 2. PANORAMA EVOLUTIVO DOS MATERIAIS............................................7 3. MATERIAIS PARA ENGENHARIA...............................................................8 3.1. MATERIAIS METALICOS................................................................................9 3.2. MATERIAIS CERAMICOS................................................................................9 3.3. MATERIAIS POLIMERICO...............................................................................9 3.4. MATERIAIS COMPOSITOS............................................................................10 3.5. MATERIAIS NATURAIS.................................................................................10
4. CRITÉRIOS DE SELEÇÃO............................................................................10 4.1. ÍNDICE DE MÉRITO........................................................................................11 4.2. MAPAS DE PROPRIEDADES DOS MATERIAIS..........................................12
5. ESTUDO DE CASO..........................................................................................13 5.1.METODOLOGIA................................................................................................13 5.2. ANALISE DO PROBLEMA..............................................................................14 5.3. VERIFICAÇÃO NOS MAPAS DE PROPRIEDADES DOS MATERIAS......16
6. RESULTADOS E DISCURSÕES....................................................................17 7. CONCLUSÃO....................................................................................................21 8. REFERENCIAS.................................................................................................2
1. INTRODUÇÃO.
A atuação do engenheiro de materiais abrange duas grandes áreas. Uma trata de atividades que podem ser definidas como correlacionamento de propriedades com o desempenho final, sempre implicando a realização ou melhoria de produtos e, por isso mesmo, incluindo o processamento como um tema relevante. Com isso, abrange desde a adaptação de matéria primas até a avaliação do desempenho final. Uma das principais tarefas da engenharia dos materiais é ordenar os resultados obtidos por sua base científica, a ciência dos materiais, visando a sua aplicação tecnológica. (FERRANTE, 2009). Outra grande área de atuação do engenheiro de materiais é a seleção de materiais (SM). Esta atividade envolve uma gama de conhecimentos técnicos cuja amplitude dificilmente pode ser coberta por uma única categoria profissional. Assim, a seleção de materiais é o ponto focal de uma série de especialidades tecnológicas, que vão desde a criação do projeto até a análise de desempenho em campo. Exemplificando, no desenvolvimento de um produto, o estabelecimento dos requisitos a serem atendidos norteia uma primeira descrição funcional do projeto. (FERRANTE, 2009). Inseridos neste contexto, o presente estudo segue uma linha de pesquisa, onde os critérios de SM serão abordados e as diferentes situações que se exerce a seleção dos materiais. Destacando o índice de mérito e os mapas de Ashby que apresenta a utilização de Mapas de Propriedades de Materiais, que são utilizados e exemplificados através de estudos de casos. Este trabalho, tem como intuito analisar o estudo de caso proposto pelo docente em sala de aula, que consiste na melhor escolha do material para o tubo de revestimento da base de um cabide de roupa, aplicando os critérios de SM, custos de material, além de outros critérios, e determinar o material mais adequado para o problema em questão.
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2. PANORAMA EVOLUTIVO DOS MATERIAIS.
Até a década de 60 os materiais em fase de industrialização existiam em menor número em relação aos da fase de pré-industrialização e desenvolvimento, a disponibilidade desses materiais no mercado era reduzida, atualmente o grande número de materiais que se encontravam na fase de desenvolvimento, estão hoje na fase de industrialização passando por este processo e disponibilizando atualmente, mais de 50.000 tipos de materiais à disposição de um profissional de engenharia (ASHBY E JONES, 2005). Durante anos, a etapa vivida pelo homem ficou marcada pelos materiais que ele usou, como, a idade da pedra, a idade do bronze e a idade do ferro. Historiadores relatam que se o homem tivesse vivido nos tempos de hoje, este teria acesso aos diversos produtos e gama de materiais que estão disponíveis para o homem nos dias de hoje. Portanto, o que se vive hoje, não é a idade de um material apenas, mas sim, a idade de uma vasta gama de materiais. Os materiais estão mais entranhados na nossa cultura do que a maioria de nós imagina, por isso, vivemos a idade dos materiais avançados, pois o desenvolvimento e o avanço das sociedades estão intimamente ligados às habilidades em produzir e manipular materiais para satisfazer suas necessidades. (CALLISTER 2002). A figura abaixo mostra esta evolução que ocorreu, um mapa do crescente desenvolvimento dos materiais em função do tempo. Na pré-história (a Idade da Pedra) eram utilizados cerâmicas e vidros, polímeros naturais e compósitos, madeira e pedra, ouro e prata. A descoberta do cobre, bronze e ferro marcou a Idade do Bronze e a Idade do Ferro, o que resultou em enormes avanços, em substituição a madeira e pedra utilizados na confecção de armas e ferramentas.
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Figura 1. Panorama Evolutivo dos Materiais.
3. MATERIAIS DE ENGENHARIA.
A seleção de um material adequado é de suma importância para o desenvolvimento de um projeto e o bom desempenho do produto final depende desta etapa. Nota-se que a grande dificuldade a ser vencida na SM é encontrar, de forma agrupada e organizada, todas as características importantes em um material para concepção de um produto. Os materiais sólidos têm sido classificados em três principais grupos: materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos. Ainda existem três grupos de materiais importantes na engenharia, os compósitos, os semicondutores e os biomateriais. Sem deixar de dar importância aos materiais naturais ainda muito utilizados. Os Materiais aos quais submetemos a processos de seleção se subdividem a cinco classes reconhecidas como: Materiais Metálicos; Materiais Cerâmicos; Materiais Poliméricos; Materiais Compósitos e Materiais Naturais.
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3.1.
MATERIAIS METALICOS.
Os materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos. Podem ser entendidas também como substancias inorgânicas compostas por um ou mais elementos metálicos e podem, também conter elementos não metálicos. Grande parte das propriedades dos metais é atribuída diretamente a estes elétrons. Metais e ligas metálicas, como aço, alumínio, magnésio, zinco, titânio, cobre, níquel, ferro, entre outros, são condutores extremamente bons de eletricidade e calor. (CALLISTER, 2002)
3.2.
MATERIAIS CERÂMICOS.
Estes materiais são caracterizados pela combinação entre elementos metálicos e não metálicos. Deste grupo de materiais, podem ser destacados os óxidos, nitretos e carbonetos. Outros exemplos de materiais cerâmicos são o cimento, o vidro, argilo-minerais, produtos cerâmicos como tijolos, refratários e abrasivos. Estes, possuem normalmente baixa condutividade térmica e elétrica, consequentemente, são muito utilizados como isolantes. O material cerâmico tem excelente resistência a altas temperaturas.
3.3.
MATERIAIS POLIMÉRICOS
Os polímeros são constituídos de macromoléculas orgânicas, sintéticas ou naturais. Os plásticos e borrachas são exemplos de polímeros sintéticos, enquanto o couro, a seda, o chifre, o algodão, a lã, a madeira e a borracha natural são constituídos de macromoléculas orgânicas naturais. Os polímeros têm baixa condutividade térmica e elétrica, tem baixa resistência, mecânica comparado a outros materiais utilizados em Engenharia.
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3.4.
MATERIAIS COMPOSITOS.
Os materiais compósitos são materiais projetados de modo a conjugar características desejáveis de dois ou mais materiais, criando propriedades muitas vezes vantajosas do que um único material. Concreto e fibra de vidro com resina de poliéster são típicos exemplos. Com os materiais compósitos é possível obter produtos com diferentes propriedades, como leveza e ductilidade, bem como materiais resistentes a altas temperaturas, ao choque, a cortes e a propagação de trincas. Modernos meios de transporte aéreo e veículos espaciais tem se utilizados de compósitos da de fibra de carbono.
3.5.
MATERIAIS NATURAIS.
Podem ser considerados materiais naturais, todos utilizados “in natura”. Entre os
materiais naturais destacam-se as fibras, os minerais, as madeiras e outros. Os materiais naturais têm sido muito pesquisados ultimamente como alternativos para diversas aplicações, isto por serem recicláveis, biodegradáveis e por apresentarem baixa toxidade.
4. CRITERIOS DE SELEÇÃO.
A seleção de um material não baseada em apenas um único critério de seleção, mas sim em um conjunto deles que em sua grande maioria são conflitantes, o que pode vir a acarretar alguns problemas para se obter uma satisfação simultânea entre eles. Um material quando submetido a certas condições de trabalho deve ter seu desempenho adequado para tal situação. Os critérios de seleção estão diretamente relacionados com as distintas propriedades dos materiais disponíveis que se classificam basicamente em propriedades mecânicas, térmicas, físicas e elétricas. Os 16 critérios de seleção de materiais listados abaixo não esgotam a lista, mas são os mais representativos. (FERRANTE, 2002). 10
Considerações dimensionais;
Considerações de forma;
Considerações de peso;
Considerações de resistência mecânica;
Resistência ao desgaste;
Conhecimento das variáveis de operação;
Facilidade de fabricação;
Requisitos de durabilidade;
Número de unidades;
Disponibilidade de material;
Custo;
Existência de especificações e códigos;
Viabilidade de reciclagem;
Valor de sucata;
Grau de normalização;
Tipo de carregamento.
4.1.
ÍNDICE DE MÉRITO.
O Índices de Mérito (IM), são fórmulas algébricas que combinam propriedades dos materiais e que, quando maximizadas, aperfeiçoam algum aspecto de desempenho. Sua fórmula algébrica expressa um compromisso entre duas características ou propriedades. Em sua forma mais simples um IM é geralmente uma fração, tendo no numerador a propriedade que se quer maximizar e no denominador a que se deseja minimizar.
Estabelecimento da função do produto ou componente: normalmente realizada por simples inspeção do objeto.
Estabelecimento do objetivo principal: expressa o requisito imposto àquela etapa de seleção.
Identificação da restrição: identificada com o desempenho e com a propriedade que o controla, no contexto do objetivo desejado. 11
4.2.
MAPAS DE PROPRIEDADES DE MATERIAIS.
A essência desse conceito de seleção de materiais encontra-se nos mapas das propriedades dos materiais, desenvolvidos por M.F Ashby. Eles procuram agrupar todas as famílias de materiais em gráficos cujas coordenadas compõem, sempre que possível, índices de mérito utilizados em cálculos de dimensionamento e seleção. (FERRANTE, 2002). Os Mapas das Propriedades dos Materiais (MPM) permitem comparar diretamente um grande número de materiais através de seus respectivos IM. O conceito fundamental dos MPM é que os pares de propriedades sempre correspondem aos componentes de um IM, que por sua vez são integráveis nos mapas. O exemplo abaixo mostra um mapa de propriedades, ele é o mapa de módulo de Young versus densidade. Este pode ser utilizado em processos de seleção objetivando minimização de massa em projetos regidos por elasticidade, em casos de SM em projeto limitado por deformação elástica.
Figura 2. Mapa de Propriedades dos Materiais Relacionando Modulo de Elasticidade em Função da Densidade do Material.
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5. ESTUDO DE CASO.
Com base orientada pelo professor em sala de aula e pelos requisitos de seleção relatados por este trabalho, o presente estudo de caso irá apresentar os requisitos de seleção para o tubo de revestimento da base de um cabide de roupa. Tendo em vista que o cabide é um objeto de suporte de peso, o material escolhido deve apresentar propriedades que garantam sua integridade, tenha boa aparência, prevenção de degradação, além de capacidade de carga. Devido estes fatores o objetivo deste projeto é analisar e selecionar o material mais adequado para este problema, visando suportar esforços de flexão aplicados sobre o produto. Baseando-se no cálculo do índice de mérito e outros critérios, o material mais adequado será escolhido, diante dos materiais propostos pelo professor em sala de aula através deste projeto. Abaixo segue os materiais que serão analisados.
Papelão.
Liga de Alumínio.
Aço Inox.
Policloreto de Vinila (PVC).
Polipropileno.
Madeira (carvalho Vermelho).
5.1.
METODOLOGIA.
A metodologia utilizada para realização deste estudo de caso será baseada na utilização dos mapas de seleção de materiais proposto por M.F. ASHBY e no cálculo do índice de mérito de cada material. Além disso, a metodologia utilizada terá como intuito colocar em pratica os conhecimentos adquiridos em sala de aula para uma maior compreensão e entendimento por parte dos alunos e proporcionar uma visão mais ampla sobre os processos de seleção dos materiais. 13
5.2.
ANALISE DO PROBLEMA.
Conforme problema proposto pelo professor em sala de aula, os requisitos de seleção para escolha do material mais adequado para o tubo de revestimento da base do cabide de roupa se segue. Sabe-se que o material a ser escolhido deve apresentar boa integridade, boa aparência, e capacidade de carga. Além disso, tem que ser resistente, leve e de baixo custo. Não pode sofrer deflexão e nem pode sofrer ruptura. Sabendo dos requisitos e restrições que o cabide contem, o mesmo foi modelado e suas dimensões foram especificadas.
Figura 3. Imagem do Cabide e do Revestimento com as dimensões Especificadas.
Considerando que a carga a ser suportada corresponde a 5 quilogramas de roupa por cabide, isso equivalente a uma força F de 50 N. De acordo com base de dados em engenharia, o IM é determinado baseado no cálculo do raio livre R (também chamado de variável livre) e pela massa do material que é exigido para termos do objetivo do projeto. Porém, valores como módulo de elasticidade, 14
densidade, massa e custo do material para cada material especificado por este trabalho já foram fornecidos e especificados pelo professor, restando assim especificar apenas o índice de mérito que é um dos objetivos deste trabalho. Usando esses parâmetros, é possível avaliar o desempenho, ou seja, maximizar a resistência da base de suporte de peso em relação à sua massa e, além disso, em relação ao custo do material. A imagem abaixo mostra os esforços sofridos pela base do cabide.
Figura 4. Modelamento dos esforços sofridos pela base do cabide.
Após a identificação do problema tomando conhecimento das restrições e requisitos do projeto em questão, o IM é determinado pela seguinte formula.
Para o cálculo da massa e do raio devem-se adotar os valores da densidade dos materiais e seus respectivos módulos de elasticidade, que podem ser encontrados em base de dados de engenharia. Entretanto, vale ressaltar que os valores da massa densidade e módulo de elasticidade já foram especificados. 15
5.3.
VERIFICAÇÃO NO MAPA DE PROPRIEDADES DO MATERIAL
Tomando como base as propriedades do papelão para revestimento do cabide e seleção de outros materiais, pois é o material mais utilizado na fabricação do tubo. Como a densidade do papelão é de 0,5 g/cm3 e o módulo de elasticidade está entre 0,70 GPa e 1 GPa, tem-se o índice de mérito correspondente a este material representado pelo ponto azul no mapa da figura abaixo. A linha vermelha corresponde ao IM, e a linha verde paralela a linha verde está no ponto do material base (papelão).
Figura 5. Mapa de Propriedades dos Materiais relacionando Modulo de Elasticidade em função da Densidade dos Materiais.
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O mapa de propriedades dos materiais utilizado para análise foi o de modulo de elasticidade (Modulo de Young ) em função da densidade do material. Com a análise feita no mapa de propriedade do material, a seguinte tabela foi elaborada, levando em consideração que as variáveis que nela constam, já haviam sido fornecidas.
Tabela 1. Modulo de Elasticidade, Densidade, Massa, Custo para seis tipos de Material.
Módulo de Material
Custo do
Elasticidade
Densidade
Massa (kg)
Material
(Pa)
(g/cm3)
Papelão
0,5
0,1018
0,20
Liga de Alumínio
2,71
0,0127
12,39
Aço Inox
8,9
0,0131
17,10
PVC
1,58
0,0627
4,78
PP
0,905
0,0647
2,83
Madeira
0,61
0,61
5,73
R$/Kg
6. RESULTADOS E DISCURSÕES.
A realização dos cálculos da variável livre e da massa são necessários para se compreender o objetivo de se pré-selecionar um material. Embora os cálculos destas variáveis sejam necessários, estes não serão demonstrados neste trabalho, uma vez que o valor da massa de cada material especificado neste trabalho já foi fornecido. Assim, restando somente determinar o Índice de Mérito para cada material, que além deste e de outros critérios, selecionarão o melhor material para o tubo de suporte do cabide, que é o objetivo deste projeto.
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1) Papelão.
2) Liga de Alumínio.
3) Aço Inox
4) PVC
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5) PP
6) Madeira.
Segundo os critérios descritos pelo método desenvolvido por Ashby, mediante os parâmetros analisados ao longo deste trabalho para escolha do melhor material, destaca-se em primeiro lugar o índice de mérito, em seguida a quantidade de massa do material, neste caso ressaltando novamente que a massa já havia sido determinada, e por último o custo. Logo, a seguinte tabela foi elaborada já com os valeres do índice de mérito, massa e custo. Tabela 2. Comparação de Resultados Índice de Mérito, Massa, Custo do material e Total para seis tipos de materiais.
Material
IM
Massa (Kg)
Custo do Material (R$)
Custo Total(R$)
Papelão
0,1018
0,20
0,02
Liga de Alumino
0,0127
12,39
0,15
Aço Inox
0,0131
17,10
0,22
PVC
0,0627
4,78
0,29
PP
0,0647
2,83
0,18
Madeira
0,0131
5,73
0,07 19
Em ordem de índice de mérito a sequência dos materiais utilizados são, 1. Liga de Alumínio. 2. Aço Inox. 3. Madeira. 4. PVC. 5. PP. 6. Papelão.
Em função do índice de mérito, o material a ser utilizado para fabricação de uma unidade de tubo de revestimento do cabide é a liga de alumínio, seguida do aço inox e da madeira. A liga de alumino se destaca também devido a sua massa que é menor, consequentemente necessitará de menor massa pra fabricação de uma unidade de tubo de revestimento do cabide. O aço inox e a madeira utilizam praticamente a mesma quantidade de massa, para fabricação do produto, o que não é tão superior a massa da liga de alumínio Analisando somente pelo custo, a madeira ganharia destaque, pois apresenta menor custo em comparação com o alumínio e o aço. Porém, a liga de alumínio mesmo tendo seu custo mais elevado, tem a seu favor outros dois critérios que a leva a posição em destaque. Já o aço tem o custo mais elevado em comparação com os outros dois materiais. O PVC e o PP que são matérias poliméricos tem seu custo favorável para este projeto, além de sua disponibilidade. Entretanto, seu índice de desempenho é baixo, além de terem massas elevadas, o que o leva a terem desvantagem em comparação com o alumínio, aço e madeira. O papelão é o material mais utilizado na atualidade para fabricação de revestimento de tubo de suporte do cabide, isto se dá provavelmente em função de ter um baixo custo em comparação com os outros materiais. Porém, é o material com maio massa empregada e tem índice de mérito baixo. Toda via, chega-se à conclusão final que a liga de alumínio é o material mais adequado para fabricação do revestimento, pois tem o maio índice de mérito, e tem menor índice de massa a ser empregada, garantindo integridade, boa aparência, prevenção de degradação, além da capacidade de carga.
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7. CONCLUSÃO.
Para o desenvolvimento deste trabalho foi necessário primeiramente que se fizesse uma revisão de literatura no que desrespeito a seleção dos materiais para que pudesse entender e se situar dos passos que seriam relatados no presente trabalho, principalmente dos métodos propostos por M.F.ASHBY que foram base para este estudo. Foi levado em consideração também as informações fornecidas em sala de aula pelo professor e assim alcançar o objetivo do trabalho. Durante a realização deste estudo, pode-se entender como se dá a escolha de um determinado material e os critérios que levam a optar pelo mesmo, uma vez que a área de materiais tem vasta extensão e matérias disponíveis. Conceitos como índice de mérito e mapas de propriedades dos materiais puderam ser abordados e ter um bom entendimento sobre a aplicação destas ferramentas em seleção dos materiais. Este estudo foi de grande importância para os discentes, pois através dele pode-se ter uma maior noção sobre a área de seleção dos materiais e como se dá o processo de escolha de um determinado material, proporcionado assim, um maior entendimento de como se dá a fabricação de um produto até sua etapa final, além de dos conhecimentos adquiridos em sala de aula que puderam ser colocados em pratica.
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8. REFERENCIAS.
FERRANTE, Maurizio. Seleção de Materiais. 2. ed. Editora da Universidade Federal de São Carlos. CALLISTER, William D. Jr. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma introdução. 5. ed. Rio de Janeiro. Editora S.A ASHBY, Michael F. Materials Selection in Mechanical Design. 2. ed. Oxford: ButterworthHeinemann, 1999. CRUZ, Diego, Fernandez, Apostila Projetos Mecânicos.
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