Artigo CBGDP2015

7/21/2019 Artigo CBGDP2015

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10o Congresso Brasileiro de Gestão da Inovação e Desenvolvimento de

ProdutosItajubá - MG, 8 a 10 de setembro de 2015

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MÉTODO DE AVALIAÇÃO DE VARIANTES DE SOLUÇÃO APLICADO A UMA

IMPRESSORA 3-D PORTÁTIL, BASEADA NA TECNOLOGIA LOM

Joaquim Manoel Justino Netto, [email protected] - Escola de Engenharia de SãoCarlos, USP

Zilda de castro Silveira, [email protected] - Escola de Engenharia de São Carlos, USP

RESUMO

Esse trabalho apresenta o processo de escolha do adesivo, a partir do método de avaliação devariantes de solução durante o projeto conceitual, e desenvolvimento do mecanismo de deposição deuma impressora 3-D portátil baseada na tecnologia LOM. O processo LOM (Laminated ObjectManufacturing) foi uma das primeiras tecnologias desenvolvidas no processo de manufatura aditiva,na década de 90. Nos anos posteriores foram desenvolvidas diversas outras técnicas utilizando

polímeros como matéria-prima e recentemente, há um avanço significativo com o uso de materiaismetálicos. O uso desses materiais permitiu e tem permitido uma maior flexibilidade na geração de protótipos rápidos, restringindo a aplicação da tecnologia LOM. O uso atual da impressão 3-Dabrange diversos segmentos de mercado, incluindo aplicações “ low-end ” voltadas para usuários nãocomerciais. Dentro desse contexto, o uso de impressoras 3-D com alcance para ensino básico noBrasil é restrito, sendo incipiente para o ensino profissionalizante. Ainda nesse contexto, há umelevado consumo de papéis para impressão e escrita em ambientes escolares e de escritóriosexistindo em geral poucas alternativas de reuso e reciclagem. Portanto, a proposta desse trabalho éapresentar o desenvolvimento de parte do projeto conceitual de uma impressora 3-D portátil, de baixocusto e que utilize como matéria-prima papéis de escrita e impressão descartados, principalmente emambientes escolares.

Palavras-chave: educação; impressão 3-D; metodologia de projeto; projeto de produto; variantes desolução.

Área: Metodologia de Projeto

1. INTRODUÇÃO

O uso da manufatura aditiva na geração de componentes e montagens teve umaumento significativo na última década. Entretanto, segundo o McKinsey Global Institute (2012), menos de 30% dos componentes obtidos a partir de técnicas de manufatura aditivaforam utilizados como peças ou conjuntos funcionais. As principais indústrias usuárias destatecnologia incluídas neste percentual foram a aeroespacial, automotiva e de processamentode plásticos. Ainda assim, tem crescido a aplicação da manufatura aditiva em projetospersonalizados que incluem fabricação de implantes dentários, dispositivos biomédicos e debioengenharia, além do segmento de joias. A manufatura aditiva apresenta característicastécnicas que permitirão em poucos anos um sistema de manufatura flexível no qual haveráuma redução significativa no ciclo de desenvolvimento de produtos, minimizando odesperdício de material, custos de ferramental e permitindo a geração de formas eestruturas de alta complexidade. A rápida evolução das técnicas de manufatura aditivaoferece uma perspectiva real para melhorias nos processos de deposição de material,principalmente na relação entre velocidade e controle e na melhoria e no desenvolvimentode novos materiais, que permitirão sua produção em escala mais elevada com significativaredução de custo.

As empresas desenvolvedoras de máquinas industriais de manufatura aditiva, como aStratasys® , 3-D Systems® , EOS® e Object® estão em sua grande maioria, localizadas nosEUA, países europeus e Israel. Essa categoria de máquinas apresenta um elevado preço de





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aquisição, bem como custos relativos a insumos e manutenção periódica do equipamento. Além disso, esses fabricantes detêm grande parte das patentes das tecnologias dedeposição e de muitos dos materiais utilizados como matéria-prima. Em relação àtecnologia LOM há dois fabricantes de máquinas de médio porte, a Mcor Technologies, queutiliza folhas de papel A4 novas como matéria-prima e a empresa Cubic Technologies, cujasmáquinas utilizam PVC laminado e um adesivo próprio.

Nos últimos cinco anos, as tecnologias de deposição por FDM (Fused DepositionModeling ) e SLA (Estereolitografia) têm sido desenvolvidas e aplicadas em ambientes depesquisa e para usuários não comerciais. O termo “Impressão 3-D” tem sido bastanteutilizado para descrever essas aplicações. A versão acadêmica Fab@Home e as opçõescomerciais: RepRap, MakerBot e 3-D Cubex (3-D Graph), baseadas em tecnologia deDeposição por Filamentos Fundidos (FDM) e Estereolitografia (SLA), apresentam estruturassemelhantes (movimentações da mesa no plano cartesiano). Portanto, esse trabalho temcomo objetivo apresentar o processo sistemático da escolha do adesivo, necessário naestruturação dos laminados de papel e apresentar a análise morfológica para escolha domecanismo de deposição do adesivo para uma impressora 3-D portátil de baixo custo e que

utilize como matéria-prima papéis de impressão e escrita descartados/usados.

1.1. Tecnologia LOM

Uma das primeiras tecnologias de manufatura aditiva comercializadas em 1991 foi aManufatura de Objetos Laminados (Laminated Object Manufacturing ), baseada nadeposição sequencial e corte de um material laminado, de acordo com as sessõestransversais de um modelo CAD representadas em cada uma das camadas de material. Aporção de material que não faz parte do modelo é cortada em um padrão xadrez, formandocubos que são destacados após o término da construção. Objetos de maiores dimensõespodem ser fabricados rapidamente e uma variedade de matérias primas pode ser usada,incluindo papel, laminados poliméricos e metálicos. A natureza não tóxica do processo, ouso de matérias-primas estáveis e de fácil manuseio contribui para a versatilidade e o baixocusto de material e de processo em relação a outros sistemas de manufatura aditiva (Gibsonet al., 2010). A tecnologia LOM, entretanto, tem algumas limitações, incluindo a necessidadede tratamento dos objetos feitos em papel para prevenir absorção de umidade e desgasteexcessivo; a dificuldade no controle da acuracidade da peça na dimensão Z, devido aoinchamento ou à espessura inconsistente do material; a não homogeneidade daspropriedades mecânicas e térmicas, devido ao aglutinante usado na estrutura laminada; e asuscetibilidade a danos em pequenos detalhes na etapa de retirada dos excessos. Osprincipais processos podem ser caracterizados com base no mecanismo de adesão entrecamadas a ser empregado, distinguindo-se o uso de adesivos ou colas, métodos térmicosde adesão, prensagem e soldagem ultrassônica. Uma classificação baseada na sequência

de processos inclui: deposição-corte e corte-deposição (Gibson et al., 2010)1.1.1. Seq uênc ia depo s ição-co rte

Na categoria deposição-corte, o laminado é primeiramente colado ao substrato e entãocortado de acordo com a sessão transversal do modelo (Gibson et al., 2010). Nessesprocessos, a construção tipicamente consiste em três passos: colocação do laminado,adesão ao substrato e corte. As máquinas LOM originais funcionavam segundo a sequênciadeposição-corte, usando bobinas de laminado, com uma das faces recoberta com materialtermoplástico, que era fundido a partir da passagem de um rolo aquecido, promovendoaderência entre as camadas. Após a deposição, um laser ou uma ferramenta de corteprojetados para cortar apenas na profundidade de uma camada, reproduz o contorno dasessão transversal baseado na informação da fatia. O excesso de material permanece nolugar como suporte, sendo cortado em pequenos ladrilhos ou cubos. O procedimento decolagem e corte é repetido até a construção completa do objeto. Após a construção, é





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necessária uma etapa de pós-processamento para a retirada das aparas de material emexcesso que envolve o uso de ferramentas similares a cinzéis. Por ser relativamente difícilremover as aparas do bloco frio, a operação deve ocorrer imediatamente após a construçãoou então será necessário aquecer o material por algum tempo para facilitar a operação. Ummétodo alternativo, desenvolvido pela Kira Corp., faz uso de papel sem recobrimentotermoplástico como material de construção, sendo utilizada um cabeçote típico deimpressoras para a aplicação de uma resina na face superior da camada previamentedepositada ou substrato nas regiões em que a colagem é desejada. Uma vez que o materialde suporte não é colado, a etapa de remoção é mais fácil. As vantagens da tecnologia LOMcom abordagem deposição-corte incluem redução no encolhimento e nas tensões residuaise poucos problemas de distorção durante o processo. Além disso, quando a matéria-primautilizada é o papel, o produto final é similar à madeira compensada, que é um materialpassível de operações de acabamento simples e comuns. Um esquema das etapasenvolvidas na tecnologia LOM pode ser vista na figura 1 (Gibson et al., 2010):

Figura 1: Esquema das etapas envolvidas na tecnologia LOM [1].

1.1.2. Sequênc ia cort e-d ep os ição

Outra categoria é o processo no qual o laminado é primeiramente cortado e depoiscolado ao substrato. Essa abordagem é comum quando se utilizam materiais metálicos oucerâmicos, sendo empregada a adesão térmica, mas sua implementação se restringebasicamente ao nível de pesquisa. Alternativamente, a Ennex Corp. patenteou um sistemachamado Offset Fabbing , no qual um material laminado com adesivo em uma das faces éposicionado em um suporte e então, cortado de acordo com a sessão transversal desejada,usando uma faca com movimentação bidimensional, incluindo linhas de partição e contornosde estruturas de suporte. O laminado cortado é então levado ao topo das camadaspreviamente depositadas, aderindo às superfícies. O processo continua até que o objeto secomplete. Um esquema da abordagem é mostrado na Figura 2 (Gibson et al., 2010):

Figura 2: Sistema Offset Fabbing , Ennex Corp. [1].

Gibson et al., (2010), citam que a abordagem corte-deposição facilita a construçãode objetos com estruturas internas e canais. Tais estruturas são difíceis ou impossíveis dese obter com a abordagem deposição-corte, pois o material em excesso no interior dos





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componentes é sólido e, portanto, não pode ser removido, a menos que a parte seja cortadae aberta. Outra vantagem do processo corte-deposição é que não há risco de cortar ascamadas anteriores, assim pode-se investir menos no controle de precisão do laser ou dafaca de corte. Além disso, a etapa potencialmente danosa de remoção de material emexcesso é eliminada. Entretanto, a abordagem requer suportes externos para a construçãode estruturas pendentes e algum tipo de ferramenta de alinhamento para garantir oposicionamento exato da camada recém-depositada com respeito às camadas anteriores.

2. Contextualização da proposta de pesquisa

De acordo com o Ministério do Meio Ambiente, todo processo que contemple aspectosambientais onde o objetivo principal é projetar produtos que promovam a redução doimpacto ambiental durante seu ciclo de vida pode ser considerado como Ecodesign. Sabe-se que 80% dos impactos ambientais causados durante o ciclo de vida de um produto sãoprovenientes de sua etapa de desenvolvimento e por isso existem muitas diretivas quevisam oferecer molduras conceituais para o projeto com compromisso socioambiental, tais

como as diretivas das Dez Regras de Ouro listadas por Luttropp e Lagerstedt (2006). Comobjetivo de atender em especial a diretiva das Dez Regras de Ouro que trata daminimização do consumo de energia e recursos naturais na fase de uso, foi definido que oescopo do projeto se pautaria na utilização de papel sulfite descartado como matéria-primapara as impressões 3D, contribuindo não só para a redução no consumo de energia erecursos naturais empregados na fabricação do principal insumo da máquina, como tambémdiminuindo o montante de resíduos sólidos gerados em atividades administrativas. Opotencial para a reciclagem e reutilização de papel no Brasil é vasto. De acordo com a Associação Brasileira de Celulose e Papel (BRACELPA), em 2002 foi produzido apenas37,4% de papel reciclado em relação à produção total, enquanto a taxa de recuperação depapéis recicláveis do tipo “imprimir e escrever”, matéria-prima potencial para a máquina emdesenvolvimento, em 2002 foi apenas de 24,7 % (BNDES, 2015).

No contexto de inclusão digital, o uso de novas tecnologias deve ser incentivado emdiversos segmentos da sociedade. A proposta de uma impressora 3D portátil e de baixocusto comtempla sua implementação em instituições de ensino básico. Objetos físicos,quando usados como representações materiais de ideias, dados ou conceitos carregamsignificados além da informação contida em sua materialidade física real, pois podem sertocados, explorados, transportados e até processados proporcionando experiências deaprendizado mais completas. Royo 1996 apud CALDEIRA (2009) distingue sete funçõespara o material na prática educativa: função informadora, estruturadora, modeladora,mediadora, relacional, simbólica representativa e instrutiva, que são desempenhadasmediante as diferentes modalidades de interação entre o aluno e objeto. O uso de artefatosmateriais que permitam a visualização tridimensional de estruturas/imagens representandoconceitos complexos ainda é incipiente no Brasil, principalmente em relação ao uso da

impressão 3-D como instrumento de auxílio no processo de aprendizagem.

3. Desenvolvimento do projeto conceitual

3.1. Procedimento proposto na seleção do adesivo para fixação dascamadas de papel

Endoh (2014) apresenta uma solução conceitual para a aplicação de adesivobaseada no princípio de nebulização. Nesta, um venturi realiza a sucção do ar que é entãomisturado ao adesivo e o fluido resultante é bombeado a um bocal responsável pelo devidoespalhamento do adesivo na superfície do papel. Para se estabelecer um critério

quantitativo da escolha dos diferentes tipos de adesivos, foi implementado um procedimentode Análise de Variantes de Solução (Pahl et al , 2007), que permitiu a escolha do aglutinante





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mais adequado à consolidação das várias camadas de papel utilizados durante a construçãode modelos com tecnologia LOM, de acordo critérios técnicos derivados dos requisitos deprojeto. De acordo com Petri (2006), materiais adesivos são substâncias capazes desegurar unidas pelo menos duas interfaces de modo forte e permanente. Suascaracterísticas devem ser tais de forma que se comportem como um líquido durante operíodo inicial de formação da junta para que possa fluir e molhar eficientemente as partesaderentes, desenvolvendo posteriormente forças intermoleculares que são responsáveispela adesão entre as superfícies. Os adesivos podem ser classificados de acordo com acomposição química em termorrígidos, termoplásticos, elastoméricos e híbridos. Dentre ostermoplásticos, foram investigados alguns adesivos cuja reação funciona a partir da perdade solvente, que por sua vez pode ser à base de água ou de natureza orgânica. A Tabela 1apresenta uma comparação geral de desempenho entre adesivos termoplásticos.

Tabela 1: Vantagens e desvantagens de alguns adesivos termoplásticos. Adaptado dePetrie (2006).

Forma Vantagens Desvantagens

À base de água

Baixo custo Menor resistência à umidadeNão inflamável Sujeito a congelamento

Solvente atóxico Encolhimento de tecidosMaior variabilidade no conteúdo sólido Ondula ou enruga papéis

Maior variabilidade na viscosidadeContaminação com metal noarmazenamento e aplicação

Penetração e molhabilidade podem variar Secagem lentaPossibilidade de uso de material com alto

peso molecular em alta concentraçãoCorrosivo para alguns metaisPiores propriedades elétricas

À base de

solvente

Resistência à umidade Perigo de fogo e explosãoVárias faixas de taxa de secagem Toxidade

Alta adesão desenvolvida rapidamente Necessidade de equipamento à

prova de explosão e sistema deventilação

Molha mais facilmente superfícies difíceis

Para auxiliar na avaliação das possíveis soluções, foi realizada uma pesquisa arespeito de propriedades importantes para o adesivo, tais como custo, inflamabilidade eresistência relativa ao descascamento do PVA, PVB e PVOH. A Tabela 2 apresenta umacomparação qualitativa das propriedades dos três adesivos. Devido à falta de dados diretossobre toxidade, estabilidade química e viscosidade, outras propriedades que apresentamrelação com as listadas anteriormente foram consideradas.

Tabela 2: Propriedades selecionadas PVA, PVB e PVOH. Adaptado de Petrie (2006).

Propriedade PVA PVB PVOHTempo de validade Baixo Médio Baixo

Tempo de pega Médio Médio RápidoDisponibilidade Alta Média MédiaInflamabilidade Não Sim Não

Resistência Relativa ao Descascamento 6 6 2Custo Baixo Médio Baixo

Solubilidade Água Solventes orgânicos Água

O poli (vinil acetato) é o mais versátil dos adesivos à base de resina vinílica. Osadesivos de PVA são geralmente encontrados como emulsões ou soluções, podendo serplasticizados ou não. Segundo Petrie (2006), sua formulação pode conter cargas ou

pigmentos, dependendo da aplicação. O PVA é o aglutinante base das colas brancascomuns. O adesivo deve ser aplicado a temperaturas entre 15°C e 32°C, podendo ser





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danificado por ciclos repetidos de congelamento e descongelamento e sua vida quandoarmazenado é geralmente limitada. O PVA é um adesivo relativamente flexível,especialmente sob baixas temperaturas. A resistência à maioria dos solventes e à umidadeé baixa, entretanto esses adesivos suportam graxas, óleos e fluidos derivados de petróleo.Com a formulação adequada, esses adesivos podem apresentar baixo custo, alta adesãoinicial e boas propriedades de preenchimento. Adesivos de PVA tendem a fluir sobcarregamentos expressivos. O poli (álcool vinílico) é uma resina termoplástica sintéticasolúvel em água que é encontrada geralmente em solução aquosa para a colagem demateriais porosos, como papel e tecidos. Com madeira e papel, os adesivos de PVOHperdem água rapidamente e consequentemente endurecem de forma rápida, permitindo oalívio da pressão em minutos após a montagem. Suas propriedades úmidas de adesão,combinadas com o endurecimento rápido fazem do PVOH muito útil para operações derotulagem, empacotamento e laminação contínua de papel e lâminas, podendo ser usadosainda na selagem por calor. A resistência à umidade é boa o suficiente para a maioria dasaplicações interiores. A resistência à graxas e óleos é excelente. Não apresentam odor nemgosto, encontrando assim aplicação na indústria de embalagens de alimentos (PETRIE,

2006). Os adesivos de polivinil acetal são geralmente formuladas com resinas de polivinilbutiral ou polivinila formal. O PVB apresenta uma viscosidade menor quando fundido e é umpolímero mais flexível promovendo melhor resistência ao descascamento. Os adesivos dePVB são fabricados como soluções de alta viscosidade e baixo conteúdo sólido. Podem serbrancos ou transparentes, sendo estáveis à luz e apresentando excelente adesão em vidros. A resistência à umidade é relativamente baixa, mas adequada para aplicações externas. OPVB é muito usado na laminação de vidros de segurança (PETRIE, 2006).

3.2 Avaliação de variantes da solução

As variantes de solução apontadas durante a seleção como dignas de continuaçãode seu desenvolvimento, foram avaliadas segundo critérios mais detalhados. A avaliaçãoenvolveu a atribuição de valores técnicos, ecológicos, econômicos e de segurança deacordo com o processo indicado por Pahl et al. (2007). A avaliação calcula o valor, benefícioou potência de uma solução em relação a objetivos preestabelecidos que sãoindispensáveis, uma vez que o valor de uma solução não pode ser considerado emabsoluto, mas somente mensurado em relação a certos requisitos. O procedimento básicode avaliação começa com a identificação de critérios que por sua vez são derivados dosobjetivos, ou seja, dos requisitos e condicionantes gerais que são geralmente reconhecidosdurante a elaboração da solução. As metas devem atender os requisitos da forma maiscompleta possível, sendo independentes entre si e devem de preferência ser caracterizadasem termos verbais quantitativos ou pelo menos qualitativo. A sistematização proposta por

Pahl et al. (2007), apoia-se na elaboração de uma árvore na qual cada um dos objetivos ésubdividido em uma ordem hierárquica. Na vertical, as metas são lançadas em níveis decomplexidade decrescente e, na horizontal, os objetivos são lançados por setores, tais comosetor técnico, econômico e ambiental, facilitando o projetista a julgar se foram incluídastodas as metas relevantes para a decisão e simplificando a avaliação da importância relativadas metas no valor global da solução. Os objetivos podem ser observados na Figura 3, quetambém mostra os critérios de avaliação derivados das metas das etapas de menorcomplexidade.





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Figura 3: Árvore de objetivos e legenda. Produzido pelos autores.

Em seguida procedeu-se com a identificação da importância relativa de cada meta,para que critérios possivelmente irrelevantes pudessem ser eliminados antes de iniciar aavaliação propriamente dita. Os critérios remanescentes, apesar de apresentaremrelevâncias diferentes, foram tipificados como fatores de ponderação ou peso, sendolevados em consideração na etapa subsequente de avaliação. Os valores atribuídospertenciam ao intervalo de 0 a 1, de forma que a soma dos fatores de todos as metas de ummesmo nível de complexidade fosse igual a 1, visando uma ponderação percentual dasmetas. As ponderações foram feitas avaliando todos os critérios de um mesmo nível decomplexidade por vez, isto é, horizontalmente (Pahl et al., 2007). O fator de ponderação dameta de um determinado nível em relação à meta de maior complexidade (Z 1) é obtido pelamultiplicação do fator deste nível pelos fatores de ponderação dos níveis de metassuperiores. Tal ponderação por níveis possibilita uma pontuação mais realista uma vez queé mais fácil ponderar duas ou três metas em relação a uma meta imediatamente superior doque limitar a ponderação a um mesmo nível. A figura 4 mostra as metas com seusrespectivos fatores de ponderação.

Após estabelecer critérios de avaliação e definir sua relevância, estes foramcorrelacionados a parâmetros conhecidos, caracterizados por asserções verbais concretas.É recomendado por Pahl et al. (2007), que essa correlação seja feita numa folha deavaliação, na qual os parâmetros relevantes ou que satisfazem os critérios de avaliação sãolançados na coluna da respectiva variante. A análise de valores denomina esses parâmetroscomo valores-alvo, agrupando-os juntamente com os critérios de avaliação em uma matriz-

alvo. A atribuição de valores, que consiste na avaliação das soluções de acordo com cadacritério, é uma etapa inerentemente subjetiva. A pontuação varia de 0 a 10 e deve sersegundo as chamadas funções de valor, de acordo com as quais, cada parâmetro doscritérios de avaliação são relacionados escalonadamente às ideias de valor. As funções devalor podem ser derivadas de uma conhecida relação matemática ou estimadas através daexperiência do avaliador.





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Figura 4: Árvore de objetivos com fatores de ponderação. Produzido pelos autores.

Os valores para cada uma das variantes com base nos critérios são lançados nafolha de avaliação, sendo ponderados de acordo com os fatores estabelecidos nas etapasanteriores. A figura 5 mostra a folha de avaliação completa, na qual a linha mais inferiorapresenta os valores globais não-ponderados e ponderados para cada variante. Paracomparação entre as variantes, foi adotado o critério do valor global máximo, de acordo como qual a variante PVA é a melhor solução, pois apresenta maior valor global.

Nr. Denominação Fator UnidadeCaracterística

(ei1)

Valor

(wi1)

Valor

Ponderado

(wgi1)

Característica

(ei2)

Valor

(wi2)

Valor

Ponderado

(wgi2)

Característica

(ei3)

Valor

(wi3)

Valor

Ponderado

(wgi3)

1 Boa Estabilidade 0.12 Validade Anos Baixo 4 0.48 Médio 6 0.72 Baixo 4 0.48

2Viscosidade

Adequada 0.14 Resistência ao Fluxo cP Médio 5 0.7 Alto 7 0.98 Alto 6 0.84

3 Boa Adesão 0.24 Resistência Relativa ao

Descascamento N/m Médio 6 1.44 Médio 6 1.44 Baixo 2 0.48

4 Baixa Toxidade 0.15 Presença de Solvente Sim/Não Alto 8 1.2 Baixo 3 0.45 Alto 8 1.2

5Baixa

Inflamabilidade 0.14 Tendência à Combustão Sim/Não Alto 9 1.26 Baixo 4 0.56 Alto 9 1.26

6 Baixo Preço 0.12 Preço do Adesivo R$ Alto 9 1.08 Médio 5 0.6 Alto 9 1.08

7 Fácil Aquisição 0.1 Acessibilidade ao Adesivo Disponibilidade

no mercado Alto 9 0.9 Médio 6 0.6 Alto 7 0.7

1 - - - 50 7.06 - 37 5.35 - 45 6.04

PVOHCritérios de Avaliação Parâmetros PVA

Somatória dos Fatores

PVB

Figura 5: Folha de avaliação desenvolvida para escolha do material aglutinante.

3.3 Estudo sobre o adesivo escolhido

Em seu estado puro, o PVA não é apropriado para uso como adesivo pois formafilmes frágeis e apresenta capacidade limitada de adesão. Entretanto, por ser compatívelcom vários agentes modificadores tais como plasticizantes e espessantes, o PVA pode serencontrado em uma vasta gama de adesivos que atendem demandas específicas paramuitas aplicações diferentes (Packham, 2005). Os adesivos à base de PVA são geralmentefabricados através de polimerização por emulsão, um processo no qual o monômero acetato

de vinila é emulsificado em água e polimerizado com o uso de catalisador. A presença desurfactantes e partículas coloidais protetivas solúveis em água facilita a estabilização das





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partículas discretas do homopolímero na fase aquosa. Tais adesivos são amplamenteutilizados em atividades escolares diversas, sendo mais conhecidos como cola branca oucola lavável e apresentam, de acordo com o fabricante Henkel Brasil Ltda, um teor desólidos que varia de 23% a 25%. A adesão pode ser atribuída a fatores mecânicos e deadsorção química. Quando um filme de emulsão adesivo inicialmente caracterizado comouma fase aquosa contendo partículas poliméricas discretas estáveis é aplicada entre duassuperfícies porosas e os três componentes são sujeitos à compressão adequada, ocorre omolhamento das superfícies dos substratos, com consequente absorção da fase aquosapelos substratos. À medida em que o substrato absorve água, o conteúdo sólido do filmeaumenta e o adesivo se torna mais viscoso e pegajoso. A absorção de água (e até doagente aglutinante em alguns casos) é mantida por forças capilares desenvolvidas nosporos do substrato até que seu conteúdo sólido aumente ao ponto em que o adesivocoalesça em um filme contínuo. A máxima resistência da junta é atingida quando toda aágua presente no filme de adesivo e nos substratos evapora.

3.4 Escolha do método de aplicação do adesivo A aplicação de adesivos em emulsão por métodos convencionais requer que pelo

menos um dos substratos apresente superfície porosa para permitir a evaporação da faseaquosa do adesivo. A aplicação pode envolver diversas abordagens, incluindo o uso deroda, extrusoras, spray, rolo, troca-tintas (dauber) ou cabeçote de impressão dependendode demandas específicas em termos de reologia. Assim, é importante assegurar que ocomportamento reológico do adesivo é compatível com o equipamento de aplicaçãoempregado (PACKHAM, 2005). Endoh (2014) apresenta uma solução para a aplicação doadesivo baseada no princípio de nebulização. Nesta, um venturi realiza a sucção do ar queé então misturado ao adesivo e o fluido resultante é bombeado a um bocal responsável pelodevido espalhamento do adesivo na superfície do papel. Foram realizados testes

preliminares com um borrifador comum, cola branca e folhas de papel sulfite, entretanto,devido à elevada viscosidade da cola branca comercial não foi possível formar uma nuvemfina de adesivo de modo que toda a superfície do papel fosse igualmente molhada.

Em seguida procedeu-se com a diluição da cola branca em água para reduzir seuteor de sólidos a 20%, 15% e 10%. Os adesivos foram novamente testados com o borrifadore apenas a formulação com 10% de sólidos foi devidamente nebulizada, porém a diluição semostrou excessiva e não ocorreu adesão entre as folhas. Além disso, o exame do borrifadormostrou um acúmulo de material sólido na saída do bocal de aspersão, causado pelaestricção no local. Assim, devido à dificuldade e complexidade envolvidas na previsão docomportamento reológico do adesivo, que é formado por um material polimérico ememulsão, a solução baseada em princípios de nebulização foi descartada.

4. Análise morfológica para o estudar o sistema de deposição do adesivo

Como exposto em Pahl (2007), na busca por princípios de solução é possível dividirproblemas ou funções em subproblemas e sub-funções passíveis de serem resolvidosindividualmente. Quando a solução para cada subproblema é encontrada, a combinaçãosistemática das soluções leva à solução geral. A Tabela 3 apresenta a matriz morfológicaproposta por Endoh (2014) adaptada com novos princípios de solução para a aplicação doadesivo: rolo, troca-tintas e doctor blade. Os princípios derivam das possíveis abordagenspara a aplicação de adesivos em emulsões citadas anteriormente.





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Tabela 3 Matriz morfológica com novos princípios de solução para aplicação do adesivo. Adaptado deEndoh (2014).

Função/Solução 1 2 3

A Alimentação de

material

(...) (...) (...) (...)

HFixação do protótipo

Junção Química

J Aplicação do adesivo

KCompactação do

papel

(...) (...) (...) (...)

Por meio do exercício da analogia, é possível identificar os principaisdesdobramentos que a escolha de cada solução implicará. A solução 1 requer amovimentação horizontal de um eixo de modo que um rolo de material absorvente,previamente molhado pelo adesivo e posicionado no eixo rotacionado sobre o comprimentodo papel. A solução 2 envolve a movimentação vertical de uma superfície porosa quedeverá ser pressionada contra o papel para que ocorra a transferência do adesivo. Asolução 3 requer a movimentação horizontal de uma lâmina de modo que esta arraste eespalhe o adesivo previamente depositado em certas regiões do papel. Para os fins a quese designam este trabalho, a solução 2 foi considerada potencialmente mais simples, devidoa existência de dispositivos semelhantes com funcionamento puramente mecânico e porpoder ser implementada com pouca ou nenhuma automação. A Figura 6 mostra osdispositivos e princípios, que inspiraram o conceito da solução.

Figura 6. Dispositivos com liberação controlada de líquido e respectivos princípios de soluçãoanálogos.





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5. Conclusões e trabalhos futuros

Estudos sobre a fabricação e uso de papéis de impressão e escrita em países emdesenvolvimento, indica um crescimento no Brasil. Esse crescimento, ainda que pequenotraz questões de impacto ambiental, com geração de resíduos. Portanto, o uso do papelcomo matéria-prima em impressão 3-D baseada na tecnologia LOM apresenta duascontribuições significativas: inserir o conceito de manufatura aditiva em ambiente escolar eoferecer uma alternativa de reuso do papel descartado na forma de material didático.

No desenvolvimento de soluções alternativas para problemas técnicos, o uso demetodologia de projeto direciona de forma sistemática as decisões tomadas, principalmentedurante o projeto conceitual. Neste trabalho, o uso da análise de variantes de solução semostrou adequado para a escolha do adesivo, bem como permitiu um conhecimento maisaprofundado sobre a tecnologia de adesivos. Em relação ao projeto conceitual domecanismo, a escolha do adesivo mais viável e do método de aplicação tem permitidoexplorar diferentes princípios de deposição. Cabe ressaltar, que foram feitos testes deresistência ao descascamento dos laminados, com diferentes frações de agua, álcool e

aglutinante, que não foram apresentados nesse trabalho. As etapas seguintes consistirão na geração do mock-up do mecanismo de deposição,para testes de funcionalidade, como por exemplo, de movimentação do dispenser emrelação à bandeja e avaliação da uniformidade de distribuição do adesivo no sistemaformado pela bandeja e esponja. Por fim, deve-se avaliar a qualidade do laminado de papelque estruturará o protótipo rápido.

REFERÊNCIAS

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AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer à Profa. Dra. Márcia C. Branciforti e aos técnicos doDepartamento de Engenharia de Materiais, da Escola de Engenharia de São Carlos, USP,por todo apoio dado ao desenvolvimento desse trabalho.

http://www.bndes.gov.br/SiteBNDES/export/sites/default/bndes_pt/Galerias/Arquivos/conhecimento/seminario/florestal17.pdf.%20Acesso%20em%2021/01/2015





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