CAD CAE CAM

MECATRÔNICA ATUAL Nº1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001

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CAD/CAE/CAMCAD/CAE/CAMCAD/CAE/CAMCAD/CAE/CAMCAD/CAE/CAMEmílio Carlos Nelli Silva

Professor Doutor do Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas MecânicosEscola Politécnica da USP

Os termos CAD, CAE e CAM jásão comuns no meio industrial inter-nacional (e nacional) atualmente eestão diretamente relacionados coma redução de custo de desenvolvi-mento e fabricação de um produtoatravés da utilização de computado-res, eliminando a necessidade e ocusto de se realizar experimentoscom protótipos. Para entendermos osignificado desses termos é necessá-rio entendermos inicialmente comoocorre o desenvolvimento de um novoproduto na indústria, como represen-tado no gráfico mostrado na figura 1.O gráfico possui duas colunas. A co-luna da esquerda ilustra as etapas dedesenvolvimento do produto e a dadireita como o computador está pre-sente em cada uma delas.

Para ilustrar a explicação, vamosconsiderar o desenvolvimento de um

eletrodoméstico como uma batedei-ra de bolo, por exemplo.

A primeira etapa, “Reconhecimen-to da Necessidade” consiste em seidentificar a necessidade do produto,o que é feito pelo Departamento deMarketing através de pesquisas en-tre os consumidores, etc… Assim,será pesquisado, o que o consumi-dor espera de uma batedeira, aces-sórios desejados, cor preferida, de-sempenho, etc… Identificada a ne-cessidade, parte-se para a etapa “De-finição do Problema”, onde será feitaa especificação do produto, ou seja,quais as faixas de rotação da bate-deira, quais os seus acessórios,suas dimensões genéricas, capaci-dade da tigela, potência do motor,etc… A partir daí, se inicia a síntesedo produto, ou seja, será realizado oprojeto propriamente dito da batedei-

ra, definindo-se detalhadamente a suaforma, as suas dimensões, a formae dimensões de seus acessórios,etc... Ou seja, dessa etapa em dian-te, a batedeira vai assumir a formade um produto final. No entanto, astrês etapas que se seguem consis-tem num complexo trabalho, que re-presenta a essência da engenhariade desenvolvimento. A definição daforma (ou geometria) da batedeiradepende não somente da escolha deum “design” que seja mais atrativopara o consumidor, mas também deuma forma que não comprometa odesempenho mecânico (no caso) dabatedeira. Por exemplo, um problemasério no projeto de batedeiras de bolo,é que a distância entre a extremida-de da pá e o fundo da tigela seja iguala um certo valor, caso contrário, abatedeira não tem sucesso em batera clara de ovo de forma a gerar a tra-dicional “espuma”, conhecida como“claras em neve”. Essa distância en-tre a extremidade da pá e o fundo datigela dependerá da rigidez da estru-tura da batedeira, que dependerá porsua vez de sua forma. Sendo assim,o projetista deve ser capaz de pre-ver o comportamento mecânico daestrutura da batedeira para cada tipode forma escolhida. Se o comporta-mento mecânico não for satisfatório,a forma deve ser alterada, caso con-trário, o desempenho da batedeiraserá comprometido. Uma maneira dese prever o comportamento mecâni-co é construir um protótipo da estru-tura e realizar um experimento. Essaabordagem, muito usada no passa-

Os termos CAD, CAE e CAM já são comuns na indústria mo-derna. Eles estão relacionados com a utilização do computadornas diferentes fases de desenvolvimento de um produto, que en-volvem o seu desenho (CAD), a simulação computacional de seucomportamento físico (CAE) e o planejamento e controle de suaprodução (CAM). Esse artigo procura dar uma visão geral sobre oque consistem essas áreas, a sua importância no contexto dedesenvolvimento de um produto industrial, bem como, uma idéiado estado da arte dessas áreas de conhecimento atualmente. Sãoáreas muito abrangentes (cada uma delas merecendo um artigoem especial) e a relevância e importância delas para o aumentode competitividade industrial no mundo atual é inegável.

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Figura 1 - Desenvolvimento de um produto industrial e a presença do computador nasdiferentes etapas.

do, demanda tempo e custo, certa-mente contribuindo para o encareci-mento do preço final da batedeira. Éaí que entra o computador para redu-zir esse custo e tempo de desenvol-vimento.

Voltando ao gráfico acima, temosque a primeira etapa de projeto é a“Síntese”. Nessa etapa é propostauma geometria para o produto (nocaso, a batedeira). Essa etapa en-volve basicamente a modelagemgeométrica do produto. Essa etapapode ser realizada no computadorutilizando-se um software de CAD(“Computer Aided Design”), que é umsoftware que permite realizar dese-nhos bi e tridimensionais de peças ealterá-los como se desejar. Na próxi-ma etapa, chamada de “Análise eOtimização” é feita a análise do pro-jeto geométrico proposto anterior-mente de forma a prever o seu com-portamento mecânico, elétrico, etc.Essa etapa também pode ser reali-zada no computador utilizando-seo chamado software de CAE(“Computer Aided Engineering”), queé um software que permite simular ocomportamento mecânico, elétrico,etc. da peça projetada no CAD. As-sim, no caso da batedeira, para cadadesenho proposto no CAD, devemos

poder simular o comportamento me-cânico e verificar se a rigidez doprojeto proposto é suficiente paragarantir a distância entre a extremi-dade da pá e o fundo da tigela, porexemplo. Se o projeto não for satis-fatório, devemos retornar ao CAD,fazer as modificações necessárias nodesenho geométrico e novamentesimulá-la no CAE. Esse processoiterativo prossegue até que se obte-nha um projeto satisfatório, comomostrado no gráfico. Uma vez con-vergido para um projeto, segue a eta-pa de “Avaliação” onde é construídoum protótipo que será testado de for-ma a verificar se todas as exigênci-as especificadas na etapa “Definiçãode Problema” acima são realmentesatisfeitas. Caso não sejam, retorna-se para a etapa de “Síntese” acima,fazem-se as alterações necessáriasno desenho, e o processo de projetocontinua até que se obtenha o pro-duto final que atenda a todas asespecificações iniciais. Uma vez ob-tido o projeto final parte-se para aexecução de sua documentação fi-nal através da execução de desenhosde fabricação, onde novamente oCAD desempenha um papel funda-mental. Encerrado o projeto do pro-duto, segue a sua fabricação. Nova-

mente, o computador ajuda a reduçãode custos nessa fase através da utili-zação de softwares de CAM(“Computer Aided Manufacturing”) queessencialmente, além de estimaremos custos e tempos de produção dabatedeira, geram a partir do desenhono CAD um programa a ser fornecidoa uma máquina ferramenta (tambémcontrolada por computador) que vaipermitir essa máquina usinar o moldea ser usado na injetora de plástico parafabricar a batedeira, por exemplo.

Assim, com o gráfico da figura 1,demonstra-se a utilização do compu-tador nas diferentes etapas de desen-volvimento de produto, e sua impor-tância na redução de custos e tem-po de desenvolvimento. Vejamoscom detalhe os softwares de CAD,CAE e CAM.

CAD

Um sistema CAD é compostopor software e hardware que ofere-cem em conjunto recursos gráficospara gerar desenhos utilizando ocomputador.

Um software de CAD pode rodarnum microcomputador tipo PC comsistema operacional Windows ounuma estação de trabalho com sis-tema operacional UNIX. Requer ummonitor colorido com resolução emtorno de 4096x4096 pixels, uma pla-ca gráfica capaz de garantir uma boavelocidade nas operações gráficas,mouse e teclado. Além disso, podeagregar vários hardwares acessóriosque facilitam a execução do projeto,como, por exemplo:

• “Light-pen”: trata-se de um dis-positivo similar a uma caneta quequando apontada para um ponto dovídeo, envia as coordenadas desseponto para o computador. Permite de-senhar figuras e indicar pontos natela;

• Mesa digitalizadora: é umamesa sobre a qual é movimentadoum dispositivo similar a um mouseque envia ao computador as coor-denadas do ponto indicado com pre-cisão de até centésimos de milíme-tro. Pode ser usado para adigitalização de desenhos enviandoas coordenadas do seu contorno;


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Figura 2 - Modelos bidimensionais num CAD(cortesia de Sérgio E. M. Rezende).

Figura 3 - Modelo tridimensional num CAD(cortesia de Sérgio E. M. Rezende).

Figura 4 - Representação de sólidos usando “wireframe” (cortesia de Sérgio E. M. Rezende).

Figura 5 - Representação de objetostridimensionais usando superfícies (cortesia

de Sérgio E. M. Rezende).

Figura 6 - Modelo sólido de um motor elétrico(cortesia de Sérgio E. M. Rezende).

• Digitalizadores de imagem: dis-positivos que captam a imagem doambiente e a convertem para códi-gos que podem ser manipulados pelocomputador. Como exemplo, temosas câmeras de vídeo e fotográficasdigitais e os “scanners”;

• Plotters: são dispositivos usa-dos especificamente para imprimir osdesenhos do CAD em papéis padro-nizados (A2, A3, A4, etc.). Utilizam-se canetas esferográficas ou não, quetraçam retas e pontos sob o coman-do do computador;

Os CADs são muito aplicados nageração de desenhos nas indústriasmetal-mecânica, construção civil,esquemas elétricos, geração de ma-pas car tográficos, desenhos demarketing, etc...

Um modelo geométrico de CADpode ser bidimensional ou tridi-mensional. Um exemplo de modelobidimensional (2D) seria um desenhode fabricação da peça ou a planta deum prédio, onde ambos são realiza-dos apenas num plano (ver figura 2).

Um modelo tridimensional (3D)consiste num modelo que simula umaterceira dimensão, nos permitindo, porexemplo, girar o objeto, visualizá-lo

de diferentes formas, etc. (ver figura3). É importante salientar que umaimagem de perspectiva simplesmen-te não é um modelo tridimensional,pois a mesma pode ser desenhadanum plano, por exemplo. Um modelotridimensional simula, de formavirtual, a peça real. Para representaruma peça no plano é necessário ape-nas duas coordenadas (X e Y porexemplo), enquanto que uma peça noespaço precisa de três coordenadas(X, Y e Z, por exemplo).

Além disso, a representação deum modelo tridimensional no CADpode ser classificada em: estruturade arame (“wireframe”), modelo desuperfície e modelo de sólido.

Um modelo estrutura de arameutiliza linhas interconectadas pararepresentar o objeto como mostradona figura 4. Quando o modelo temgeometria complexa a sua represen-tação usando “wireframe” pode ficarconfusa, pois, mesmo as linhas re-presentando o outro lado do objetosão representadas, como ilustrado nafigura 4.

Nesse caso o CAD possuialgoritmos que “escondem” as linhasatrás do objeto, no entanto esse tipode representação não é adequadaem geral. No caso de modelos de su-perfície, a peça é representada ape-nas pelas suas superfícies internase externas, o que já elimina a confu-são causada pela representação“wireframe” (ver figura 5). Esse tipode representação é adequado pararepresentar a carroceria de um auto-móvel, o coração, etc. enfim corposque são formados essencialmente

por “cascas”, ou seja, não possuemum interior sólido. A superfície nãoprecisa possuir uma espessura, porexemplo.

Já no modelo sólido, a peça é re-presentada como um sólido real, e avisão do objeto é como o vemos nasituação real. A peça é armazenadano CAD como um sólido tridi-mensional e tem como vantagempermitir calcular a interferência dapeça com outras peças, calcular seu


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Figura 7 – Modelos CAD (acima) e CAEdiscretizado em elementos finitos (abaixo) deuma peça mecânica (Cortesia daSmartTech -

ANSYS).

Figura 8 - Etapas de uma análise de CAE.

volume e massa, seu centro de gra-vidade, etc... (ver figura 6).

Entre as funções úteis presentesnum CAD, temos:

• Permite determinar com preci-são as distâncias entre superfícies,pontos, linhas, sólidos, etc...identificadas pelo usuário;

• Permite checar se não há interfe-rência entre dois objetos. Essa funçãoé útil no caso do interior de um avião,em que se deve posicionar a passa-gem de diversos tubos e fios. Semum CAD, é muito difícil realizar essatarefa sem ocorrer interferências;

• Animação: permite visualizar ummecanismo funcionando (simulaçãocinemática), como um motor, porexemplo. Trata-se de uma simulaçãopara animação apenas e não leva emconta o comportamento dinâmicoreal das peças. Uma simulação decomo as peças se movimentamrealmente com as corretas velocida-des e acelerações é feita pelo CAEcomentado adiante;

Os CADs também permitem utili-zar diversas cores para representaros objetos. Assim, no caso do mo-delo do motor, por exemplo, cadapeça teria uma cor, o que ajudaria aidentificá-la no motor final.

Uma outra característica impor-tante do CAD é poder ser integradocom outros sistemas como o CAE eo CAM. Assim, o modelo construídono CAD deve ser transferido ao CAEpara simular o seu comportamento(mecânico ou elétrico), ou transferi-do para um CAM para simular e pro-gramar a sua usinagem numa máqui-na CNC (“Comando NuméricoComputadorizado”).

A interface com o CAE, no en-tanto, nem sempre é bem sucedidacomo será comentada adiante.

CAE

Um software de CAE é usado paraa simulação do comportamento dapeça na situação real de operação.Assim, no caso de uma peça mecâ-nica são calculadas as tensões me-cânicas, deslocamentos (como noexemplo da batedeira citado na in-trodução deste artigo), distribuição detemperaturas, fluxo de calor na peça,

etc... Existem CAEs especialistas nasimulação do funcionamento de umcircuito elétrico, por exemplo, ou seja,sabendo-se o sinal de entrada pode-se determinar o sinal de resposta ge-rado pelo circuito, assim como sa-bendo-se as forças que atuam numaestrutura podemos calcular os seusdeslocamentos. O principal objetivodo CAE é reduzir o tempo e custo dedesenvolvimento do produto aumen-tando a sua qualidade. Se o CAE écapaz de simular o comportamentoreal do produto, este permite ao en-genheiro avaliar com precisão o pro-jeto feito no CAD sem precisar fabri-car protótipos. O CAE consiste por-tanto, numa ferramenta importantepara o engenheiro.

Entre os tipos de CAE temos osCAEs baseados no chamado Méto-do de Elementos Finitos (MEF),CAEs destinados à simulação dinâ-mica de mecanismos, CAEs desti-nados à simulação de sistemas dis-cretos e CAEs destinados aoprocessamento simbólico.

Os CAEs destinados à simulaçãodinâmica de mecanismos permitemsimular o funcionamento de um robô,por exemplo, calculando as velocida-des e acelerações de suas diferen-tes partes considerando os torquesdos motores de acionamento, a car-ga a ser movimentada, etc... É umasimulação mais fiel a realidade, aocontrário do CAD onde somente éfeita uma animação do funcionamen-to do robô. Os CAEs destinados àsimulação de sistemas discretos si-mulam, por exemplo, um circuitopneumático onde um movimento paraocorrer depende de uma condição játer ocorrida, como o pistão pressio-nar uma válvula, por exemplo. Linhasde manufatura numa indústria tam-bém podem ser simuladas com essetipo de CAE. CAEs destinados aoprocessamento simbólico permitemmanipular diretamente as equaçõesmatemáticas que descrevem o fenô-meno que se quer modelar.

No entanto, a maior parte dosCAEs são baseados principalmenteno MEF e permitem atualmente si-mular inúmeros fenômenos físicosem engenharia, como por exemplo,deformação de estruturas mecânicas

sujeitas a um certo carregamento, dis-tribuição de temperaturas num mo-tor, campo acústico gerado no inte-rior de um ambiente, escoamento dear ao redor das asas de um avião,etc... Para isso o MEF exige que omodelo de CAE seja discretizado empequenos elementos denominados“elementos finitos” como mostrado nafigura 7. Essa discretização consis-te em se gerar uma malha (“mesh”)no modelo de CAD. Pode ser feita noCAD ou no próprio CAE mediante omodelo importado do CAD.

Muitos CAEs possuem um CAD(mais simples) integrado para tentarevitar que o usuário tenha que


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Figura 9 – Visualização através de cores dadistribuição de temperaturas num modelode CAE de uma peça mecânica (Cortesia

da SmartTech - ANSYS).

transferir arquivos de um softwarepara o outro.

Uma vez discretizado o modelo,são aplicados carregamentos repre-sentados por forças, pressões, ace-lerações, temperaturas, voltagem,corrente elétrica, etc... e as restriçõesque correspondem aos pontos emque a estrutura será presa (desloca-mento nulo), ou pontos com valoresde temperatura e voltagem especifi-cados (valor zero, por exemplo).Além disso, devem ser especificadostambém os materiais que compõema peça, especificando suas proprie-dades físicas (densidade, módulo deelasticidade, etc...).

Assim, uma análise de CAE écomposta das seguintes etapas (verfigura 8): o pré-processamento, osolucionador e o pós-processamento.No pré-processamento é construídoo modelo (ou importado do CAD) egerado a malha de elementos finitossobre esse modelo de CAD. Nessaetapa devem ser escolhidos o tipode elemento a ser usado (conformeveremos adiante), o material das par-tes da peça, além de serem aplica-dos os carregamentos e as restri-ções, ou seja, deslocamentos, tem-peraturas ou potenciais elétricos pres-critos. Na segunda etapa, osolucionador, são resolvidas as equa-ções matemáticas que descrevem ocomportamento físico da peça. Naúltima etapa, pós-processamento,são visualizados os resultados comodistribuição das tensões mecânicas

ou deslocamentos no caso de estru-turas mecânicas, ou a distribuição detemperaturas ou potencial elétrico,enfim o que se desejar visualizarcompatível com a análise feita (verfiguras 9, 10 e 11).

No seu interior os CAEs possu-em formulações matemáticas com-plexas que estão relacionadas como fenômeno físico que se quer simu-lar (mecânico, elétrico, fluido escoando,eletromagmético, etc...). Essa formu-lação está agregada a cada tipo deelemento finito. Existe assim um ban-co de dados de elementos finitos noCAE, cada um relacionado com um

fenômeno físico específico e conten-do uma certa aproximação na mode-lagem do fenômeno real. Assim, exis-tem elementos unidimensionais,bidimensionais e tridimensionais comomostrado na figura 12.

Nesse sentido o modelo do CAEnão precisa ser necessariamenteigual em forma ao modelo de CADda peça real, mas deve apenas po-der representar o seu comportamen-to mecânico ou elétrico real. Isso épossível graças às formulações ma-temáticas implementadas no interiordo software. Por exemplo, conside-remos a modelagem da asa de umavião. Podemos numa etapa inicialrepresentá-la por uma linha que serádiscretizada por elementos unidi-mensionais chamados “elementos deviga” (ver figura 12). Trata-se de ummodelo de CAE simplificado ondecada elemento, no entanto, conteriainformações sobre as dimensões daseção da asa, sua área, seu materi-al, etc... Visualmente, esse modeloé bem diferente da geometria real,mas já é capaz de nos dar uma boanoção inicial do comportamento me-cânico da asa, por exemplo. Um mo-delo de CAE mais sofisticado con-siste em se representar a asa comelementos do tipo “placa”(ver ele-mentos bidimensionais na figura12)e as longarinas internas por elemen-tos unidimensionais de viga. As pla-cas conteriam informação da espes-

Figura 10 - Visualização da deformação do casco de um navio obtida por elementos finitos. Ascores representam diferentes tipos de materiais (vidro, aço, etc.) (Cortesia da SmartTech - ANSYS).

Figura 11 - Visualização da deformação deum componente de motor de automóvel,

obtida por elementos finitos. As coresrepresentam diferentes tipos de materiais

(alumínio, aço, etc.)(Cortesia da SmartTech -ANSYS).


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com elementos de placas e vigas jáseria suficiente, por exemplo. A mo-delagem de uma peça usando ele-mentos sólidos do tipo “tijolo” seriamais indicada para uma peça sólidado tipo, fundida, forjada, ou usinada.Enfim, o engenheiro deve aprender aabstração da modelagem de CAEpelo fato de, novamente, o modelode CAE não precisar necessariamen-te ter um visual igual à geometria dapeça real, mas deve ser capaz derepresentá-la fisicamente.

Algumas simulações envolvemvários fenômenos físicos e exigemCAEs multidisciplinares. Por exem-plo, a simulação de um avião voan-do exigiria a simulação do escoamen-to do ar ao redor da asa e a simula-ção de como esse escoamento pro-voca a deformação da asa devido àsforças de sustentação e de arrastoaerodinâmico. Ao mesmo tempo, aasa se deformando, o escoamento doar ao seu redor é alterado. Assim umasimulação realística desse fenôme-no exigiria um CAE que combine o

efeito estrutural e aerodinâmico. Umexemplo de sofisticação de análisecomputacional possível de se atingiratualmente usando um software deCAE está ilustrado na figura 13, ondeé simulado o campo magnético deum magneto. O resultado é mostra-do em termos de distribuição devetores de campo magnético ao lon-go do magneto.

Considerando as etapas do CAEacima, a que consome mais tempoé o pré-processamento onde éconstruído o modelo CAE. O pré-processamento pode chegar a repre-sentar 70% do tempo de uma análi-se de CAE, enquanto que a análi-se e pós-processamento juntos re-presentam 30%!! Em geral, a cons-trução do modelo do CAE é feita apar tir do modelo construído noCAD, a menos que se deseje utili-zar um modelo simplificado uni oubidimensional, como discutido ante-riormente. Nesse caso, algunssoftwares de CAE possuem um CADno seu interior para evitar que o usu-

Figura 12 - Tipos de elementos finitosusados no CAE.

sura, material, etc... O visual dessemodelo de CAE já estaria mais pró-ximo da geometria da asa real, porexemplo, e do ponto de vista físiconos fornece uma noção mais preci-sa do comportamento mecânico daasa. Finalmente o último estágio desofisticação seria representar a asapor elementos sólidos do tipo “tijolo”(ver elemento hexahédrico na figura12). Visualmente, esse modelo é idên-tico em geometria a asa real e certa-mente nos forneceria um resultadodetalhado sobre as concentrações detensões mecânicas na asa, deforma-ções localizadas, etc... No entanto,o custo computacional desse últimomodelo de CAE seria brutalmentemaior do que o do primeiro modelounidimensional tornando-o inviável.No caso da asa, o segundo modelo

Figura 13 – Resultado da simulação docampo magnético num magneto. Distribuição

do campo magnético é representada porvetores. (Cortesia da SmartTech - ANSYS).

Figura 14 – Detalhe da complexidade damalha de elementos finitos no caso depeças tridimensionais com geometria

complexa (Cortesia da SmartTech - ANSYS).

Figura 15 - Caixa de câmbio fundida.Construção do modelo CAE é complexa.


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Figura 18 - Volume de existência daestrutura com cargas e pontos de fixação(superior). Estrutura sintetizada pelo MOT

(inferior).

Figura 17 - Volume de existência daestrutura com cargas e pontos de fixação(superior). Estrutura sintetizada pelo MOT

(inferior).

ário tenha que usar outro software (deCAD), no entanto são CADs limita-dos em relação a um software dedi-cado especificamente à CAD. Assim,no caso geral, o modelo deve sertransferido do CAD para o CAE. Noentanto essa transferência nem sem-pre é bem sucedida. Entre os proble-mas temos inicialmente a comunica-ção entre o CAD e o CAE que é feitaatravés da escrita e leitura de ar-quivos tipo texto. Muitas vezes osarquivos gerados pelo CAD não sãolidos com sucesso pelo CAE porexcesso ou falta de informações.

Uma vez transferido o modelo,deve ser gerada a malha sobre omodelo como já comentado. Se omodelo apresentar pequenos detalhes(furos, cantos vivos, etc.) a geraçãode malha pelo CAE não será bem su-cedida ou uma malha muito fina serádesnecessariamente gerada (ver figu-ra 14). Isso exigirá que se retorne aoCAD e se eliminem esses pequenosdetalhes (processo conhecido como“defeaturing”) e novamente transferiro modelo para o CAE para se tentaruma nova geração de malha.

Esse processo tradicional, descri-to acima, pode ser demorado e tedio-so. Imagine uma peça complexacomo um bloco de motor, caixa decâmbio de um automóvel ou umapeça qualquer fundida ou forjada

como ilustrado na figura 15. Se a peçajá existe e queremos modelá-la, aconstrução de um modelo CAD podelevar meses!! Além disso, teremosos problemas de transferência do ar-quivo do CAD para o CAE e a gera-ção de malha como já comentadosacima. Assim o alto tempo e custodesestimulam a indústria a realizarsimulações CAE dessas peças com-plexas. Uma solução que vem sen-do usada em grandes empresas noexterior é realizar uma tomografia dapeça mecânica. O tomógrafo é umaparelho que permite obter as ima-gens das seções transversais de umsólido de forma rápida sendo muitoutilizado em hospitais pelos médicospara visualizar o interior do corpohumano. Obtidas essas imagens, osólido é reconstruído no computadorde forma a se obter uma imagem devoxels do sólido. Um voxel é a uni-dade básica de representação de umaimagem tridimensional, assim como,o pixel é a unidade básica de repre-sentação de uma imagem bidi-mensional no computador. Uma vezobtida a imagem de voxels, a gera-ção do modelo CAE é obtida conver-tendo-se cada voxel num elementofinito do tipo “tijolo”. Assim, o mode-lo CAE de uma peça complexa podeser obtido em menos de um dia!!! Afigura 16 ilustra o processo.

Isso teria grande aplicação emprojeto de próteses biomédicas, porexemplo, pois são peças complexasque variam de pessoa para pessoa.A simulação por CAE se faz neces-sária para se prever o comportamentomecânico da prótese antes de colocá-la no paciente. Com esse método, omodelo CAE é facilmente obtido sema necessidade de se aprender a utili-zar um software de CAD. Assim, podeser usado por um médico, por exem-plo, que teria um tomógrafo disponí-vel no hospital.

No entanto, a simulação do com-portamento da peça em si, ajuda oengenheiro a verificar os problemasde projeto, mas ainda não é suficien-te. O principal problema é sugerirmodificações na peça que melhoremo seu desempenho, o que é uma ta-refa complexa. A simulação nos aju-da a ter uma idéia da sensibilidade

do projeto, ou seja, alterando a for-ma da peça aqui e ali, temos umanoção do quanto irá influenciar no seudesempenho final realizando simula-ções. Isso resulta num processo deprojeto iterativo como já ilustrado nafigura 1. Mas, seria interessante queo próprio CAE nos sugerisse onde al-terar a forma da peça de maneira amelhorar o seu desempenho, o quecertamente aumentaria drasticamen-te a eficiência do processo de proje-to. Isso é conseguido atualmente uti-lizando-se métodos de otimização in-tegrados ao CAE. Esses métodosrealizam uma busca orientada dosparâmetros de geometria da peça deforma a obter a forma que otimize odesempenho da peça. Esse desem-penho pode ser, por exemplo, a rigi-dez da peça, redução das tensõesmecânicas, etc... Um critério de de-sempenho muito comum na indús-

Figura 16 - Seções tomografadas de umsólido e sua respectiva imagem de voxels

reconstruída, já consistindo no modelo CAE com elementos tipo "tijolo".


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tria automotiva e aeronáutica é projetar peças com máxi-ma rigidez e com menor peso. No caso da batedeira, men-cionado na introdução, é interessante que a geometria desua estrutura seja rígida o suficiente para que a deforma-ção não prejudique a geração da “clara em neve” (já co-mentado), mas não deve conter uma quantidade de ma-terial maior do que a necessária, o que encareceria oscustos na indústria. Por exemplo, se fabricamos 1000 ba-tedeiras por dia, e se cada uma delas tem uma massa de200 g a mais do que o necessário isso significa 6 tonela-das de material a mais por mês!!! O mesmo vale para aprodução de automóveis. No caso de um avião, o proble-ma é que uma peça com peso além do necessário, reduza capacidade de carga do avião. Obter uma peça commáxima rigidez e menor peso não é uma tarefa intuitivapara o ser humano, e somente pode ser conseguida atra-vés do computador.

A otimização integrada ao CAE tem atualmente vá-rios níveis. Podemos otimizar apenas as dimensões dapeça (otimização paramétrica), podemos alterar a formaexterna e interna da peça (otimização de forma), ou po-demos alterar a topologia da peça, ou seja, encontrarnovos “furos” nessa peça. Esse último tipo de otimizaçãoé chamada otimização topológica. O desempenho dapeça e a redução de material obtida aumentam daotimização paramétrica para a otimização topológica.

A Otimização Topológica (OT) é um método que vemsendo muito utilizado na indústria dos EUA, Japão e Eu-ropa nos últimos cinco anos. O Método de OtimizaçãoTopológica (MOT) permite sintetizar estruturas de acor-do com um certo desempenho especificado, por exem-plo, máxima rigidez e menor peso. As figuras 17 e 18ilustram algumas estruturas sintetizadas pelo MOT. Ini-cialmente é definido o volume de existência da estrutu-ra, ou seja, uma região que é limitada apenas pelos pon-tos onde a estrutura estará fixada, pontos de aplicaçãode carga e regiões que a estrutura não pode invadir. Alémdisso, pode-se ainda definir regiões em que o materialnão pode ser retirado (sólido) e regiões em que não podehaver material (vazio) (ver figura 18). Esse domínio édiscretizado em elementos finitos, e fornecido ao softwarede MOT. Num processo iterativo, o software de MOT vaidistribuir de forma ótima o material no interior do volume deexistência de maneira a maximizar o desempenho deseja-do para a peça (por exemplo, máxima rigidez e menor peso).

Assim, o MOT consiste no estágio mais avançadoda otimização, e o CAE não mais se limita a analisargeometrias propostas no CAD, mas agora é capaz desintetizá-las também de forma ótima.

As reduções de massa obtidas na indústria com a utili-zação de um CAE com o MOT chegam a 40% da massainicial de um projeto tradicional obtido sem a utilização doMOT. Isso demonstra a potencialidade de ferramentas deotimização integradas ao CAE. Trata-se de uma área emrápido crescimento na indústria no exterior sendo motivo devárias pesquisas no meio acadêmico. Já existem CAEs dedi-cados ao MOT disponíveis no mercado que permitem sinteti-zar uma peça de forma a obter o seu modelo de CAD final.

Figura 21 - Determinação do caminho da ferramenta e simulação deusinagem bidimensional em operações de fresagem (Cortesia da

CCS - SurfCAM).

Figura 20 - Determinação do caminho da ferrramenta para fresadoras em usinagem bidimensional (Cortesia da CCS -

SurfCAM).

Figura 19 - Determinação do caminho da ferramenta em operaçãode fresagem (Cortesia da Ascongraph - MasterCAM).


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CAM

CAM (“Computer Aided Manufacturing”) é defini-do como o uso do computador no planejamento,gerenciamento e controle da manufatura.

Para o planejamento, gerenciamento da manufa-tura o computador é usado “off-line” fornecendo in-formações para o gerenciamento e planejamentoefetivo das atividades de produção. Entre as princi-pais tarefas realizadas pelo CAM nessa área, te-mos:

• Estimativa do custo total (material e produção)de um novo produto a ser fabricado;

• Planejamento do processo, ou seja, planeja-mento da seqüência de operações e quais as má-quinas que deverão ser utilizadas para a fabrica-ção do produto e seus componentes;

• No caso de processos que envolvam usinagem,o CAM calcula os parâmetros ótimos de usinagem,como rotação da ferramenta ou da castanha de umtorno, velocidade de avanço da ferramenta, númerode passes, etc… Os cálculos são baseados em da-dos obtidos na fábrica ou em laboratório e essenci-almente relacionam a vida da ferramenta com ascondições de usinagem. Além disso, o CAM é ca-paz de simular a usinagem da peça na tela do com-putador;

• Gerar um programa para ser fornecido ao com-putador da máquina ferramenta de comando numé-rico que usinará a peça;

• Estudo de tempos de produção envolvidos nafabricação da peça;

Dentre as tarefas acima, a simulação de usinagemé sem dúvida a mais complexa computacionalmente.A idéia é que possuindo o modelo CAD da peça aser usinada o CAM irá calcular não somente osparâmetros ótimos de usinagem (como já comenta-do anteriormente) da peça, mas também especifi-car a trajetória da ferramenta durante a usinagem,determinar se haverão colisões da ferramenta compartes da máquina, etc… (ver figuras 19, 20, 21 e22). Após definida a usinagem o CAM deve podersimulá-la na tela (ver figuras 23, 24, 25 e 26), mos-trar o acabamento final da peça (ver figura 27, 28 e29), e gerar um programa a ser fornecido para ocomputador de uma máquina ferramenta que fabri-cará a peça. Para isso, o CAM possui um banco dedados com informações sobre comandos de pro-gramação de vários tipos diferentes de máquinasferramenta. O modelo da peça pode ser importadode um CAD (assim como no caso do CAE) ou no casode uma peça simples, pode ser construída no CADsimplificado do próprio software CAM. O CAM nãopermite apenas simular operações de usinagem (tor-nos e fresas em geral, incluindo todas as opera-ções), mas também, operações de cor te à laser,corte à jato d’água, corte à plasma, eletroerosão àfio, etc.

Figura 23 - Simulação de usinagem de fresamento e torneamentosimultâneos (Cortesia da CCS - SurfCAM).

Figura 22 - Determinação do caminho da ferramentaem operações de fresagem tridimensional

(Cortesia da CCS - SurfCAM).

Figura 24 - Determinação do caminho da ferrramenta e simulação deusinagem tridimensional para fresadoras de três eixos (Cortesia da

CCS - SurfCAM).


SOFTWARE

Com relação às tarefas de controle da produção, oCAM se destina a controlar o processo, a qualidade, ochão de fábrica e monitorar os processos, além degerar relatórios sobre a situação da produção para agerência.

Assim, CAD, CAE e CAM representam as ferra-mentas da engenharia moderna que permitem reduziro custo e tempo para o desenvolvimento e fabricaçãode um produto. l

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Mikell P. Groover, “Automation, Production Systemsand Computer Integrated Manufacturing”, Englewood Cliffs :Prentice-Hall, 1987.

2. Ibrahim Zeid , “CAD/CAM Theory and Practice”, NewYork , McGraw-Hill, 1991.

3. Kunwoo Lee, “Principles of CAD/CAM/CAESystems”, Addison Wesley Longman Inc., California,1999.

Figura 25 - Determinação do caminho da ferrramenta e simulação deusinagem tridimensional para fresadoras (Cortesia da CCS -

SurfCAM).

Figura 26 - Determinação do caminho da ferrramenta e simulação deusinagem tridimensional para fresadoras (Cortesia da CCS -

SurfCAM).

Figura 27 - Simulação de usinagem e visualização de acabamentoem operações de fresagem (Cortesia da CCS - SurfCAM).

Figura 29 - Visualização do acabamento final de uma peça usinada(Cortesia da Ascongraph - MasterCAM).

Figura 28 - Visualização do acabamento final da peça após aoperação de fresagem (Cortesia da CCS - SurfCAM).

CAD CAE CAM

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